Het is warm, beneden de nul graden

Natuurkundigen maakten een gas met een temperatuur onder het absolute nulpunt. En eigenlijk is dat heel heet.

Natuurkundigen van de universiteit van München hebben vorig jaar een gas gecreëerd met een temperatuur onder het absolute nulpunt. Dat is tegen de regels van de fysica, maar het valt wel uit te leggen. Philip Moriarty, hoogleraar natuurkunde aan de universiteit van Nottingham, doet dat in een lange (13 minuten) en geslaagde aflevering van de YouTube-serie Sixty Symbols van zijn subfaculteit.

Als materie steeds verder afkoelt, is er een ondergrens bij -273,15 graden Celsius. Dat is het absolute nulpunt. Lagere temperaturen zijn niet mogelijk. Om te beginnen laat Moriarty zien, door te zwaaien met een publicatie uit 1956, dat het idee van een negatieve temperatuur al langer in de natuurkunde circuleerde.

Zoals meestal in de video’s uit Nottingham wordt er veel geïmproviseerd. Moriarty heeft gekleurde ballen meegenomen die moleculen moeten voorstellen. Maar als hij die moet manipuleren gaat er van alles mis. Hij laat ze vallen, ze rollen weg, hij raakt buiten adem van het rondrennen. Het is eerder ontwapenend dan gênant. Filmer Brady Haran houdt intussen de professor met zwaaiende camera in beeld.

Om negatieve temperaturen uit te leggen vraagt Moriarty nederig aan Haran of hij een formule mag gebruiken. Bij normale temperaturen zijn moleculen in een stof verspreid over energieniveaus volgens een bepaalde curve, de Boltzmann-verdeling. Er zijn altijd weinig moleculen met een energie in de buurt van nul en ook weinig met hoge energie. Ertussen ligt een piek, en de plek daarvan hangt af van de temperatuur.

In München hebben Moriarty’s collega’s een gas gecreëerd waarin die verdeling op zijn kop is gezet: de hoogste niveaus zijn het drukst bezet en de middelmatige het minst. Strikt wiskundig kun je de verdeling beschrijven met een Boltzmann-curve, als je in de bijbehorende formule voor de temperatuur een negatief getal invult.

En is dat nou koud of warm, wil Haran onverstoorbaar vanachter de camera weten. Je hóórt dat hij het liefst zijn vinger in dat gas zou steken. Nee, zegt Moriarty, het is juist heter dan wat ook, doordat het zoveel energie bevat. Het zal die energie afstaan aan alles waarmee het in contact komt en zo heter ‘aanvoelen.’ Een negatieve temperatuur ligt dus niet zozeer beneden nul, maar voorbij oneindig.

Bekijk de video op nrc.nl/wetenschap