正温度和负温度：比绝对零度更低的温度

正温度和负温度：比绝对零度更低的温度从而，我们可以知道，随着体系能量的增加，温度从绝对零度的右极限升高至正无穷大，然后再跳到负无穷大，之后再不断上升至绝对零度的左极限。通过数学处理可知，此时出现了负热力学温度（如上图右侧所示）。当然，负温度并非是宏观物体的状态，而是描述微观粒子能量反转的数学表述，负温度其实是大于正无穷温度的。负温度不是指低于绝对零度的温度，事实上，负温度比正无穷的温度还高。这里我们先要了解一下物理化学中熵的概念。熵表示系统的混乱度——混乱度越高（有序度越低），熵越大；有序度越高（混乱度越低），熵越小。能量与熵的关系图前面我们已经说到，分子运动越剧烈，温度就越高，那么体系的能量和混乱度也越高，从而熵也越大（根据热力学定律，熵对能量的偏导数等于温度的倒数）。然而，当体系的能量增加到无限时，处于最高能及的粒子越来越多，系统的混乱度达到最大之后开始下降，出现粒子数反转的情况。

组成物质的分子不断地做热运动，在宏观上就体现为温度，它是物体分子运动平均动能的标志。分子运动越剧烈，则物体的温度就越高，反之亦然。因此，物体的温度存在一个下限，那就是当分子运动完全停止之时，此时的温度被称为绝对零度（约为零下273.15摄氏度）。

无论是固体、液体还是气体，它们的温度总是高于绝对零度。热力学第三定律指出，任何物体不可能达到绝对温度，只能无限接近。因为空间自始自终都是存在热量和能量的互相转换，分子运动不会完全停止，系统的熵只会大于零。

另外，从量子力学的海森堡不确定性原理可知，粒子的速度和和位置无法同时知道。而如果粒子的温度降到绝对零度，它的速度为零，处于静止状态，这就违背了不确定性原理。因此，绝对零度是不可以达到的。

而在1951年，物理学家爱德华·珀塞尔（Edward Purcell）提出了负温度的概念。那么，什么是负温度呢？是指温度低于绝对零度吗？

负温度不是指低于绝对零度的温度，事实上，负温度比正无穷的温度还高。这里我们先要了解一下物理化学中熵的概念。熵表示系统的混乱度——混乱度越高（有序度越低），熵越大；有序度越高（混乱度越低），熵越小。

能量与熵的关系图

前面我们已经说到，分子运动越剧烈，温度就越高，那么体系的能量和混乱度也越高，从而熵也越大（根据热力学定律，熵对能量的偏导数等于温度的倒数）。然而，当体系的能量增加到无限时，处于最高能及的粒子越来越多，系统的混乱度达到最大之后开始下降，出现粒子数反转的情况。

通过数学处理可知，此时出现了负热力学温度（如上图右侧所示）。当然，负温度并非是宏观物体的状态，而是描述微观粒子能量反转的数学表述，负温度其实是大于正无穷温度的。

从而，我们可以知道，随着体系能量的增加，温度从绝对零度的右极限升高至正无穷大，然后再跳到负无穷大，之后再不断上升至绝对零度的左极限。