Een negatieve temperatuur, minder dan nul kelvin, kan dat? Het antwoord: ja! De kans is zelfs groot dat je een gebiedje met negatieve temperatuur in huis hebt.

In het dagelijks leven kennen we de graad Celsius. Als een weerman of -vrouw in hartje winter zegt dat het vannacht min vijf graden wordt, kijkt niemand raar op. Logisch: nul graden Celsius is gedefinieerd als het vriespunt van water. Er zijn lagere temperaturen, het vriespunt van alcohol of zuurstof bijvoorbeeld.

Absolute nulpunt: nul kelvin
Wetenschappers werken met de kelvin. Nul kelvin, -273,15 graden Celsius, is het absolute nulpunt. Bij nul kelvin staan alle moleculen stil en bevriest letterlijk alles, zelfs helium (althans, helium wordt een supervloeistof). Temperaturen lager dan nul kelvin lijkt dus onzin. Maar is dat wel zo?

Wat is temperatuur?
Het verschil tussen iets warms en iets kouds is hoeveel trillingsenergie in elk voorwerp zit. In een warm voorwerp zitten per gram meer trilling dan in hetzelfde voorwerp als het koud is. Die trillingen nemen we waar als warmte.

Hoe meer trillen, hoe warmer.

Sommige stoffen, zoals water, kunnen meer trillingen bevatten dan andere omdat de moleculen op meer manieren kunnen trillen. Daarom slaat water veel meer energie op dan bijvoorbeeld grafiet. Hoe warmer iets is, hoe chaotischer. Daarom is temperatuur ook een maat voor hoeveel chaos (entropie) er in een stof zit. Is de temperatuur nul, dan beweegt er geen enkel molecuul. Er is dan geen enkele entropie meer aanwezig. Een temperatuur lager dan nul kelvin kan dus eigenlijk niet.

De negatieve temperatuur van een volle pot erwten
Daarom definieren natuurkundigen temperatuur nu (via een ingewikkeld logaritmisch verband) als: de mate waarin de chaos toeneemt bij het toevoeren van energie.

Meer bonen betekent: minder bewegingsvrijheid en dus minder wanorde. Bron/©: Flickr/Flemertown

In de meeste stoffen neemt de chaos toe als de energie toeneemt, in sommige stoffen met bijzondere eigenschappen juist niet.
Vergelijk het met een pot met erwten. Als de pot helemaal of bijna leeg is, betekent met een hand erwten toevoegen: meer lawaai als je de pot schudt. Als de pot bijna vol is, zijn bijna alle plaatsen bezet. Hoe meer erwten je dan toevoegt, hoe kleiner de chaos. Als de pot propvol erwten is, kunnen de erwten geen kant meer op en hoor je niets meer, ook al schud je je een ongeluk. De entropie is dan nul.

Laser: negatieve temperatuur
De kamer in de laser is te vergelijken met die pot. Het grootste deel van de moleculen in een laser is aangeslagen: een toestand waarin ze extra energie hebben (de erwten). Een aangeslagen molecuul kan de energie aan een buurmolecuul (in het voorbeeld de lege ruimte in de pot) overdragen. De vele manieren waarop dat kan, vormen de wanorde in het systeem.

Ongelooflijk maar waar. Binnen in de kamer van een laser heersen negatieve temperaturen.

Als nog meer moleculen worden aangeslagen (de pot verder wordt gevuld met erwten) betekent dat dat er nog maar heel weinig ‘normale’ moleculen over zijn waaraan de energie over is te dragen. Met andere woorden: hoe meer energie wordt toegevoegd, hoe minder wanorde. We spreken dan van een negatieve temperatuur. Het gevolg: het gestimuleerde emissie-effect treedt op zodra een foton van de juiste golflengte een aangeslagen molecuul raakt en de moleculen weten niet hoe snel ze hun energie kunnen dumpen. Er ontstaat daarna een lawine van laserlicht. Kortom: de laser is eigenlijk een koud staaltje techniek…