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()の状態が出現する確率はボルツマン因子 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。この図では, 温度は に設定されています。