ОТРИЦАТЕЛЬНАЯ ТЕМПЕРАТУРА

ОТРИЦАТЕЛЬНАЯ ТЕМПЕРАТУРА, отрицательная абсолютная температура, величина, вводимая для описания неравновесных состояний квантовой системы, в к-рых более высокие уровни энергии более населены, чем нижние. В равновесном состоянии вероятность иметь энергию Е_попределяется формулой:

Здесь Е_i - уровни энергии системы, k - Болъимана постоянная, Т - абс. темп-pa, характеризующая ср. энергию равновесной системы U = W_nЕ_n. Из (1) видно, что при Т>0 нижние уровни энергии более населены частицами, чем верхние. Если система под влиянием внешних воздействий переходит в неравновесное состояние, характеризующееся большей населённостью верхних уровней по сравнению с нижними, то формально можно воспользоваться формулой (1), положив в ней Т<0. Однако понятие О. т. применимо только к квантовым системам, обладающим конечным числом уровней, т. к. для создания О. т. для пары уровней необходимо затратить определённую энергию.

В термодинамике абс. темп-pa Т определяется через обратную величину 1/Т, равную производной энтропии S по средней энергии системы при постоянстве остальных параметров х:

Из (2) следует, что О. т. означает убывание энтропии с ростом средней энергии. Однако О. т. вводится для описания неравновесных состояний, к к-рым применение законов равновесной термодинамики носит условный характер.

Пример системы с О. т.- система ядерных спинов в кристалле, находящемся в магнитном поле, очень слабо взаимодействующих с тепловыми колебаниями кристаллической решётки, т. е. практически изолированной от теплового движения. Время установления теплового равновесия спинов с решёткой измеряется десятками минут. В течение этого времени система ядерных спинов может находиться в состоянии с О. т., в к-рое она перешла под внешним воздействием .

В более узком смысле О. т.- характеристика степени инверсии населённо-стей двух выбранных уровней энергии квантовой системы. В случае термодина-мич. равновесия населённости N₁ и N₂ уровней Е₁ и Е₂ (Е₁<Е₂), т. е. средние числа частиц в этих состояниях связаны формулой Больцмана:

где Т - абс. темп-pa вещества. Из (3) следует, что N₂<N₁. Если нарушить равновесие системы, напр. воздействовать на систему монохроматич. электромагнитным излучением, частота к-рого близка к частоте перехода между уровнями: w₂₁ = (Е₂- Е₁)/h и отличается от частот др. переходов, то можно получить состояние, при к-ром населённость верхнего уровня выше нижнего N₂>N₁. Если условно применить формулу Больцмана к случаю такого неравновесного состояния, то по отношению к паре энергетич. уровней Е₁ и Е₂ можно ввести О. т. по формуле:

Несмотря на формальный характер этого определения, оно оказывается в ряде случаев удобным, напр. позволяет описывать флуктуации в равновесных и неравновесных системах с О. т. аналогичными формулами. Понятием О. т. пользуются в квантовой электронике для удобства описания процессов усиления и генерации в средах с инверсией населённости.

Лит. см. при статьях Квантовая электроника. Квантовый усилитель.

Д. Н. Зубарев.