Per Definition kann nichts kälter werden als der absolute Nullpunkt der Kelvin-Skala – erreicht man diese Temperatur, haben die Atome jegliche Wärmeenergie verloren. Tiefer kann man nichts abkühlen. Trotzdem gibt es Systeme, die Werte unter null Kelvin erreichen: negative absolute Temperaturen.

Das ist nur scheinbar ein Widerspruch, denn der physikalische Temperaturbegriff hat mit den Alltagskategorien warm und kalt nur sehr entfernt etwas zu tun. In der Thermodynamik beschreibt die Temperatur, wie sich die Entropie eines Systems bei Energiezufuhr ändert. Bei positiven Temperaturen nimmt die Entropie zu, wenn man Energie zuführt: Erhitzt man zum Beispiel einen Eiswürfel, in dessen Kristallgitter die Moleküle wohlgeordnet sind, dann geht das Wasser in die weniger geordnete flüssige Phase über – die Entropie nimmt zu.

Der Zusammenhang zwischen Wärme und Temperatur ist nur ein Sonderfall der grundlegenderen Relation von Entropie und Temperatur. Während die Wärmeenergie in einem Körper unter keinen Umständen unter null sinkt, spricht kein Gesetz der Thermodynamik dagegen, dass in einem geeigneten System die Entropie mit zunehmender Energie auch mal kleiner werden kann.

Solche Systeme existieren tatsächlich in der Realität, und Physiker haben sie gezielt hergestellt. Allerdings kann man sie nicht erzeugen, indem man ein normales System einfach abkühlt – denn auf diese Weise kann man den absoluten Nullpunkt nicht unterschreiten. Stattdessen arbeitet man mit einer so genannten Besetzungsinversion, bei der die meisten Teilchen die höchsten Energiezustände eines Systems einnehmen.

Damit das funktioniert, darf ein System nur eine endliche Anzahl möglicher Energiezustände haben. Führt man hier Energie zu, verteilen sich die Teilchen des Systems wie gewohnt von niedrigen auf höhere Energiezustände um. Da es für die Energie eine Obergrenze gibt, sammeln sie sich bei sehr hohen Energien auf den höchsten Energieniveaus des Systems – nahezu spiegelverkehrt zum Zustand bei sehr niedrigen Energien. Solche Situationen treten unter anderem in Lasern auf.

Bei dieser Besetzungsinversion ist die Entropie bei sehr hohen Energien genauso hoch wie bei niedrigen Energien und erreicht ihr Maximum schon auf halber Strecke zwischen beiden, wenn hohe und niedrige Energieniveaus gleich stark besetzt sind. Führt man einem solchen System weiter Energie zu, sinkt die Entropie wieder – und das Vorzeichen der Temperatur wechselt von positiv direkt zu negativ, ohne dass Werte dazwischen auftreten würden.