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절대영도보다 더 차가운 것은 없기에, 음의 온도에 관한 이야기는 엉터리처럼 보인다. 그러나 음의 온도를 가져야만 하는 물질이 존재한다. 이러한 사실은 온도에 관한 우리의 생각을 뒤흔들 것이며, 아원자 입자들의 상호작용은 물론, 암흑에너지와 같은 기묘한 실체들을 이해하는 데에도 도움이 될 전망이다.

비록 우리가 ?10°C와 같이 음의 온도에 관해서 이야기를 하곤 하지만, 보통 온도계에서의 모든 온도들은 켈빈(kelbin)으로 측정되었을 때에는 실제로 양이다. 켈빈은 절대영도인 ?273.15°C에서부터 시작되는 과학적인 온도 척도이다. 켈빈 척도에서는 온도가 입자들의 역학에너지에 의해 결정되므로, 느린 입자들로 이루어진 가스는 빠르게 움직이는 입자 가스보다 더 차갑다. 절대영도는 입자들이 운동을 완전히 멈추는 상태에 해당하며, 이런 이유로 절대영도보다 더 차가운 것은 아무것도 없다. 하지만 이것이 이야기의 전부는 아니다. 온도는 입자의 에너지들이 가스 내에서 분포되는 방식에도 의존하며, 이러한 에너지 분포 방식은 가스의 엔트로피, 즉 무질서를 결정한다.

절대영도 이상에서, 더 많은 에너지를 추가하는 것은 엔트로피의 증가에 해당한다. 풍경의 높이가 입자의 에너지에 해당하는 골짜기 옆의 언덕을 상상해보자. 특정 높이에서 입자를 발견할 확률은 엔트로피를 나타낸다. 절대영도에서 입자들은 움직임이 없으므로 모든 입자들은 에너지를 갖지 않으며 골짜기의 바닥에 있고, 최소의 엔트로피를 가진다. 가스가 가열됨에 따라서, 입자들의 평균 에너지는 증가하고, 일부는 여분의 에너지를 많이 얻지만 대부분은 소량만을 얻는다. 언덕 측면을 따라 흩어진 입자들은 이제 서로 다른 에너지를 갖게 되므로 엔트로피는 더 높다. 온도의 엔트로피적인 정의에 따르면, 가능한 가장 높은 양의 온도는 그 계의 가장 무질서한 상태에 해당한다. 이 상태에서는 풍경의 모든 지점에 있는 입자들의 수가 동일할 것이다. 에너지를 조금이라도 더 증가시킨다면 입자들이 균등하게 분포되지 않을 것이기 때문에 엔트로피는 다시 낮아지기 시작할 것이다. 결론적으로, 이 지점은 양의 온도 척도의 끝을 나타낸다.

하지만 이론적으로는 입자들을 계속 가열하면서 입자들의 엔트로피를 낮추는 것이 가능할 것이다. 이것은 엔트로피-엔트로피 상관관계를 파괴하기 때문에, 음의 온도 척도의 시작이 된다. 음의 온도 척도에서는 에너지 분포가 거꾸로 되어, 대부분의 입자들이 낮은 에너지를 갖고 소수만 높은 에너지를 갖는 대신, 대부분이 높은 에너지를 갖고 소수만 낮은 에너지를 갖게 된다. 이러한 음의 척도의 끝은 모든 입자들이 에너지 언덕의 꼭대기에 있을 때에 도달된다. 이렇게 만들어진 최종적인 온도계는 혼란스럽다. 눈금은 0에서 시작해서, 플러스 무한대까지 비탈길을 오른다. 그 뒤, 마이너스 무한대로 점프한 뒤 음의 절대영도에 도달할 때까지 음의 숫자들을 거치면서 증가한다. 음의 절대영도는 모든 입자들이 에너지 언덕의 꼭대기에 있는 것에 해당한다.

“우리가 알고 있는 온도 척도는 0에서 시작해서 무한대까지 나아가지만, 거기서 멈추지 않는다”고 독일 뮌헨공대(Ludwig Maximilian University of Munich)의 울리히 슈나이더(Ulrich Schneider)는 말했다. 음의 영역에 들어가기 위해서, 슈나이더와 동료들은 먼저 원자들을 절대영도보다 약간 더 높은 온도까지 냉각시킨 뒤 진공 속에 두었다. 그 뒤 그들은 레이저를 이용하여 그 원자들을 에너지 골짜기의 만곡부를 따라서 배치하여 대다수의 원자들이 낮은 에너지 상태에 있도록 만들었다. 또한 연구진은 원자들이 서로 반발하도록 만들어 그 자리에 고정된 상태로 유지되도록 했다. 그런 뒤 슈나이더 팀은 두 가지 일을 수행함으로써 이러한 양의 온도 시스템을 음의 온도 시스템으로 바꾸었다. 그들은 원자들이 서로 당기도록 만들고 레이저를 조절하여 원자들의 에너지 수준을 바꿈으로써, 대다수의 원자들을 고에너지 상태에 있도록 만들어, 골짜기를 에너지 언덕으로 뒤집었다. 그 결과 에너지 분포는 반전되었고, 이것은 음의 온도의 특징이다. 이 원자들이 에너지를 잃고 굴러내려 갈 수 없는 이유는 그렇게 하려면 자신들의 역학에너지를 증가시켜야 하기 때문이며, 이것이 가능하지 않은 이유는 이 시스템이 진공 속에 있고 외부 에너지 공급원이 없기 때문이다. “우리는 많은 에너지를 가진 시스템을 만들었지만, 입자들은 자신들의 에너지를 재분포시킬 수 없기 때문에 언덕의 꼭대기에 머물러야 한다”고 슈나이더는 말했다.

차가운 원자들은 이미 몇몇 아원자 입자들의 상호작용에 대한 시뮬레이션을 수행하는데 사용되었다. 이번에 개발된 새로운 음의 온도 실험은 양의 온도로는 불가능한 상호작용에 대한 시뮬레이션을 수행하는데 쓰일 수 있을 것이다. “이 시스템은 양자 시뮬레이션이라는 분야의 새로운 기술적 도구”라고 슈나이더는 말했다. 또한 음의 온도는 우주론에도 영향을 끼칠지 모른다. 우주의 가속 팽창을 설명하는 것으로 생각되고 있는 암흑에너지는 음의 압력을 발휘하며, 이것은 암흑에너지가 음의 온도를 가졌을지도 모른다는 것을 암시한다. 현재 슈나이더는 이러한 생각을 우주론자들과 논의하는 중이다. “경의로운 실험적 연구”라고 네덜란드 트벤테대(University of Twente)의 알라드 모스크(Allard Mosk)는 말했다. 그는 원래 2005년에 이 실험의 배경이론에 대한 초안을 설명한 사람이다. 어떻게 음의 온도 시스템들이 자신들끼리 혹은 양은 온도를 가진 시스템과 상호작용을 하는지를 더 많이 알게 된다면, 극도로 효율적인 열 엔진을 제작할 수 있을지도 모르지만, 그것은 먼 훗날의 이야기라고 그는 말했다. “이 연구가 우리에게 즉시 새로운 장치를 선사할 것이라고는 생각되지 않지만, 온도란 것이 실제로 무엇인지에 관한 우리의 이해를 더 심화시켜줄 것”이라고 그는 말했다.

* 관련논문 : Science, 10.1126/science.1227831
* 그림 : 온도는 에너지 풍경에 의존한다.