科学家观测到光的负温度稳定热平衡态，为研发负温度热机打下基础

绝对零度的存在也就是开尔文 0 度，即-273.15 摄氏度是一个仅存于理论的温度下限。一般来讲，人类所处的宇宙之所以温度为正，是因为粒子的动能有能量下限却没有上限。

在这种情况下，在热平衡态时的粒子倾向于处于基态而不是处于激发态。另一方面，当一个系统拥有能量上限时，负温度将成为可能。当系统处于负温度时，系统内的能量将远大于正温度系统，并且粒子将倾向于处在高能态而不是基态。

在负温度状态下，可以建立热效率等于 1 的卡诺热机（能否大于 1 仍然处在争论中），伴随而来的负压强对于暗能量的理解也至关重要。由于这些奇异特性，负温度系统一直备受学术界的关注。

在过去几十年中，准稳态的负温度系统已经在自旋、冷原子等领域被观测到。因为粒子数反转的存在，激光器有时会被不严格地考虑为负温度系统。

然而，由于外界环境处于正温度，该类系统只能处于准稳态且持续时间较短。近几年，人们发现光通过光子与光子之间的相互作用就可以达到热平衡态。

这类热平衡过程由于不涉及其他粒子（电子、声子等），让光可以拥有自己的温度并且全然不受正温度宇宙的影响。在这种情况下，稳定的负温度热平衡态就成为了可能。

前不久，针对时间合成光晶格，美国中佛罗里达大学团队和德国耶拿大学团队首次观测到光的负温度稳定热平衡态，更重要的是他们首次实现了在负温度状态下的热力学过程，其中包括等熵压缩、膨胀过程以及 Joule expansion，为研发负温度热机打下了基础。

日前，相关论文以《负光学温度条件下光子-光子热力学过程的观测》（Observation of photon-photon thermodynamic processes under negative optical temperature conditions）为题发在 Science[1]。

中佛罗里达大学的安德烈·路易斯·马尔克斯·穆尼兹（Andre Luiz Marques Muniz）和吴凡（Fan Wu）是共同一作，中佛罗里达大学教授德米特里奥斯·克里斯托杜利德斯（Demetrios Christodoulides）和耶拿大学教授乌尔夫·佩舍尔（Ulf Peschel）担任共同通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Science）

研究中，吴凡和导师先是提出光子可以热化并且拥有一套完整的热力学性质时猜想。后来，他们花了四年的时间验证理论的各个方面是否自洽，以及是否与仿真结果一致。

结果证明答案是肯定的，尤其是当他们发现系统之间的内能传递真的是从高温流向低温时，他们才对这些研究有了足够的自信。

在寻找实验可行性时，该团队考虑了光纤、时间合成光晶格以及光学微腔。时间合成光晶格由于其离散系统的特性，使其在同时拥有能量上限以及下限（同时支持正温度与负温度）方面具有很大优势。

最开始，课题组认为应该可以观测到稳定的负温度热平衡态。由于得到的结果非常的漂亮，该系统又有极强的可塑性，他们才想到也许可以首次观测到负温度下的热力学过程。幸运的是，他们真的成功观测到了。

吴凡表示：“由于这项研究有太多反直觉的内容，我和我的导师以及同事们在研究初期经常争论一些概念上的问题，有的时候在会议室争得面红耳赤，不得不半路暂停先说清楚和他们没有个人恩怨，这也算是让我想起来比较搞笑的场面。”

由于同样的原因，在与外界学术交流时他们也经常被质疑，但一般情况下只要耐心解释，对方最终都会理解。对于一些比较难以理解的概念比如光学熵，也需要花功夫去解释。

“比如在欧洲的一次学术会议上就曾经有一位马普所学者以‘光热力学中的漏洞’为题做了一次演讲。虽然我完全不同意他的观点，但想一想一个研究如果能招来很多争论，也许恰恰说明了它的重要性。我倒是很期待在未来能重演爱因斯坦与波尔之争。”吴凡说。

图 | 吴凡（来源：吴凡）

而在投稿过程之中，评审专家都认为本次论文跳脱出传统热力学，转而探索光热力学中的负温度是十分新颖的。

其中一位评审专家提到，负温度系统的一些现象（比如系统膨胀反而变热）让 TA 想起了负折射率材料，这一现象不仅反直觉而且非常有趣。

另一位评审专家觉得光学系统在设计上更加灵活之后，在热力学的探索道路上，就可以免除很多传统热力学实验对于材料和温度的限制。

有了等熵和等温过程，理论上就可以建立起一个热机或冷机。一个冷机可以将一个已经很冷的系统变得更冷。

举例来说，对于光纤中的光来讲，越冷的光意味着更多的能量处在基模，光束质量也就越好。这时就可以用光学冷机，将一个本来质量不好的光场边得亮度很高。

与自适应光学不同的是，由于热力学过程是熵增的不可逆过程，这种方法并不需要对光场进行任何探测，也不需要任何反馈，这样一来就可以将光束质量提高。

后续，在理论方面他们将研究如何理解该系统中（负）压强的概念，以及利用热平衡态来做非传统计算机的可能性。在实验方面目前他们正在尝试观测光学微腔中的热化过程、以及展示光学卡诺热机。

参考资料：

1.MARQUES MUNIZ, A. L., et al. Observation of photon-photon thermodynamic processes under negative optical temperature conditions.Science, 2023, 379. Jg., Nr. 6636, S. 1019-1023.