二つの状態のみをとる要素の集団を二準位系という。 ミクロカノニカルアンサンブルでは、エネルギーを一定に保って状態が変化す るので、それぞれの準位にある要素の数は一定に保たれる。】 カノニカルアンサンブルでは、エネルギーすなわち各準位にある要素の数は 変化し、エネルギー(E)の状態が出現する確率はボルツマン因子 exp[-E/kT] に比例する。
カノニカルアンサンブルの平衡状態で、二つの準位のエネルギーを逆転させる と、しばらくの間エネルギーの高い準位にいる要素の数と低い準位にいる要素の数が逆転 した状態となる。この状態では、温度が負になっていると考えることができる。