几何受阻系统如何挑战我们的热力学观念

尽管玻尔兹曼的熵定义以及由此而来的负温度的存在被广泛接受，我们将展示一些初看似乎与我们通常的热力学观念不一致的情境。这在特殊几何受阻系统（GFSs）的随机热力学框架中得以显现，此类系统在其基态具有最大熵和恒定负温度。对于两个处于弱热接触且温度相同的 GFS，所有能量构型等概率。一个热 GFS 与一个冷 GFS 接触时，通过熵力经热传递被驱动至最概然态，其中热 GFS 处于其基态。与气体接触的 GFS 同理。由于这不是熵的局域极大值，此处两个子系统维持不同温度。重新参数化可将这些非局域极大值转化为局域极大值，并伴随重新定义温度的相应等价性。然而，这些温度不能仅分配给某一子系统，而是描述两者的组合。熵的非局域极大值限制了热力学第零定律的朴素应用。重新表述后的该定律仍然有效，其后果是恒定负温度的 GFS 可以测量正温度。GFS 与极化顺磁自旋气体结合可具有熵的局域或非局域极大值，分别对应等价或非等价温度。在局域极大值情形下，自旋气体可测量 GFS 的温度，但不揭示其能量态的信息。