Wissenschaft Gas scheint negative Kelvin-Temperatur anzunehmen

Unter dem absoluten Nullpunkt wird es heiß: Münchner Forscher haben ein Gas geschaffen, das sich verhält, als habe es eine Temperatur, die unter dem absoluten Nullpunkt liegt. Gleichzeitig ist es unglaublich heiß.

Forschern an der Ludwig-Maximilians-Universität in München und am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching ist etwas gelungen, was eigentlich unmöglich ist: Sie haben ein Gas geschaffen, das eine negative Kelvin-Temperatur annimmt.

Eine Temperatur von null Kelvin - minus 273 Grad Celsius - gilt als der absolute Nullpunkt. Bei dieser Temperatur kommen alle Atome zum Stillstand, sie haben also keine Energie.

Wenige Milliardstel Grad unter null Kelvin

Ausgangspunkt für das Experiment war ein Gas, das die Forscher in einer Vakuumkammer auf eine Temperatur von wenigen Milliardstel Kelvin herabgekühlt hatten. Dabei handelt es sich um eine Wolke aus rund hunderttausend Kalium-Atomen. Diese haben die Forscher in optischen Fallen aus Laserstrahlen eingefangen. In diesen Fallen zeigten die Atome ein Verhalten, als ob sie eine Temperatur von wenigen Milliardstel Grad unter null Kelvin hätten.

Grund ist eine Umkehr der Boltzmann-Verteilung. Danach sind Zustände niedriger Energie wahrscheinlicher als solche mit hoher Energie. In einem Gas haben also die meisten Teilchen wenig Energie, bewegen sich also langsam, und nur sehr wenige haben eine hohe Energie und bewegen sich sehr schnell. Den Forschern um Ulrich Schneider und Immanuel Bloch gelang es, dieses Verhältnis umzukehren: In ihrem Gas weisen viele Teilchen eine hohe und nur wenige eine niedrige Energie auf - sprich: Die Mehrzahl der Teilchen bewegt sich schnell.

Kälter ist heißer

"Die umgekehrte Boltzmann-Verteilung ist genau das, was eine negative absolute Temperatur ausmacht, und die haben wir erreicht", erklärt Schneider. Tatsächlich sei das Gas jedoch nicht kälter als null Kelvin, sagt der Forscher. Ganz im Gegenteil: "Es ist sogar heißer als bei jeder beliebigen positiven Temperatur - die Temperaturskala hört bei unendlich einfach noch nicht auf, sondern springt zu negativen Werten." Grund für diesen scheinbaren Widerspruch ist die Definition der absoluten Temperatur, die auch die Energieverteilung einbezieht.

Das Experiment, das die Forscher in der Fachzeitschrift Science beschreiben, könnte für die Kosmologie interessant sein. Das Gas weist nämlich ein ähnliches Verhalten auf wie die dunkle Energie, die für die immer schnellere Ausdehnung des Universums verantwortlich sein soll: In dem Gas ziehen sich die Atome an, statt sich wie üblich abzustoßen. Das bedeutet, die Atomwolke sollte sich eigentlich zusammenziehen und kollabieren - wegen der Schwerkraft wäre das auch beim Universum zu erwarten. Die Atomwolke bleibt jedoch aufgrund ihrer negativen Temperatur erhalten.