Czy istnieje limit temperatury? Jaka jest najwyższa temperatura na ziemi?

Jeśli weźmiesz z czegoś całą energię, osiągniesz zero absolutne, najniższą temperaturę we Wszechświecie (lub prawie zero absolutne, im więcej, tym lepiej). Ale jaka jest najwyższa temperatura? „Nic nie ginie. Wszystko się zmienia” - powiedział Michael Ende. Myślę, że wielu ludzi zastanawiało się nad najwyższą możliwą temperaturą i nie znalazło odpowiedzi. Jeśli jest absolutne zero, musi być absolutny ... co?

Weź klasyczny eksperyment: kropla barwnika spożywczego w wodzie o różnych temperaturach. Co zobaczymy? Im wyższa temperatura wody, tym szybciej barwnik spożywczy jest rozprowadzany w całej objętości wody..

Dlaczego tak się dzieje? Ponieważ temperatura cząsteczek jest bezpośrednio związana z ruchem kinetycznym - i prędkością - zaangażowanych cząstek. Oznacza to, że w wodzie jest cieplej, poszczególne cząsteczki wody poruszają się z większą prędkością, a to oznacza, że ​​cząstki barwnika spożywczego będą szybciej transportowane w gorącej wodzie niż w zimnej wodzie..

Jeśli zatrzymałeś cały ten ruch - doprowadził wszystko do idealnego stanu spoczynku (nawet pokonał w tym celu prawa fizyki kwantowej) - wtedy osiągnęlibyście absolutne zero: najzimniejszą możliwą temperaturę termodynamiczną.

Ale co z pójściem w drugą stronę? Jeśli podgrzejesz system cząstek, oczywiście będą się poruszać coraz szybciej. Ale czy istnieje ograniczenie, jak bardzo możesz je podgrzać, czy istnieje jakaś katastrofa, która uniemożliwi Ci ich podgrzanie po pewnym limicie?

W temperaturze tysięcy stopni ciepła, które przeniesiesz do cząsteczek, zaczną niszczyć same wiązania, które utrzymują cząsteczki razem, a jeśli nadal będziesz zwiększać temperaturę, elektrony zaczną się oddzielać od samych atomów. Otrzymasz zjonizowaną plazmę składającą się z elektronów i jąder atomowych, w której nie będzie neutralnych atomów.

Nadal jest w granicach rozsądku: mamy oddzielne cząstki - elektrony i jony dodatnie - które przeskoczą w wysokich temperaturach, przestrzegając zwykłych praw fizyki. Możesz podnieść temperaturę i poczekać na kontynuację..

Przy dalszym wzroście temperatury poszczególne podmioty, które są wam znane jako „cząsteczki”, zaczynają pękać. Przy około 8 miliardach stopni (8 x 10 ^ 9) spontanicznie wytworzysz pary materia-antymateria - elektrony i pozytony - z surowej energii zderzeń cząstek..

20 miliardów stopni Jądra atomowe zaczną spontanicznie rozpadać się na oddzielne protony i neutrony. Przy 2 bilionach stopni protony i neutrony przestaną istnieć, a pojawią się cząstki podstawowe, ich składniki - kwarki i gluony, ich wiązania przy tak wysokich energiach nie będą już mogły wytrzymać.

Około 2 biliardów stopni Zaczniesz produkować wszystkie znane cząstki i antycząstki w ogromnych ilościach. Ale to nie jest górna granica. Wiele ciekawych rzeczy dzieje się w tych granicach. Widzisz, to jest energia, w której możesz wytworzyć bozon Higgsa, a tym samym energię, w której możesz odzyskać jedną z podstawowych symetrii we Wszechświecie: symetrię, która daje cząstce spoczynkową masę.

Innymi słowy, Gdy tylko podgrzejesz system do tej granicy energii, odkryjesz, że wszystkie twoje cząstki są teraz bezmasowe i latają z prędkością światła. To, co było dla ciebie mieszaniną materii, antymaterii i promieniowania, stanie się czystym promieniowaniem (będzie się tak zachowywać), podczas gdy pozostanie materią, antymaterią lub żadnym innym.

I to nie koniec. Możesz podgrzać system do jeszcze wyższych temperatur i chociaż wszystko nie poruszy się w nim szybciej, będzie ono wypełnione energią, tak jak fale radiowe, mikrofale, światło widzialne i promienie rentgenowskie (i wszystkie poruszają się z prędkością światła) są formą światła, nawet jeśli mają zupełnie inną energię. Być może rodzą się nieznane nam cząstki lub manifestują się nowe prawa (lub symetrie) natury. Można by pomyśleć, że wystarczy tylko ogrzać i ogrzać wszystko do nieskończonej energii, aby się dowiedzieć, ale tego tam nie było. Istnieją trzy powody, dla których nie jest to możliwe..

W całym obserwowalnym wszechświecie jest tylko skończona ilość energii. Weź wszystko, co istnieje w naszej czasoprzestrzeni: całą materię, antymaterię, promieniowanie, neutrina, ciemną materię, a nawet energię właściwą dla samego kosmosu. Istnieje około 10 ^ 80 cząstek zwykłej materii, około 10 ^ 89 neutrin i antyneutrin, trochę więcej niż fotony, plus cała energia ciemnej materii i ciemnej energii, rozmieszczone w promieniu 46 miliardów lat świetlnych obserwowanego Wszechświata, którego centrum znajduje się w naszym położeniu.

Ale nawet jeśli zmieniłeś to wszystko w czystą energię (używając E = mc ^ 2), i nawet gdybyś użył całej tej energii do ogrzania swojego systemu, nie dostaniesz nieskończonej ilości energii. Jeśli umieścisz to wszystko w jednym systemie, otrzymasz ogromną ilość energii równą około 10 ^ 103 stopni, ale nie jest to również nieskończoność. Okazuje się, że górna granica pozostaje. Ale zanim do tego dojdziesz, będziesz miał kolejną przeszkodę..

Jeśli zamkniesz zbyt dużo energii w dowolnym ograniczonym obszarze przestrzeni stworzysz czarną dziurę. Zwykle myślisz o czarnych dziurach jako wielkich, masywnych, gęstych obiektach, które mogą połknąć hordy planet: nie przeszkadzać, nieostrożne, łatwe. Faktem jest, że jeśli dasz pojedynczej cząstce kwantowej wystarczającą ilość energii - nawet jeśli jest to cząstka bezmasowa poruszająca się z prędkością światła - zamieni się w czarną dziurę. Istnieje skala, w której samo posiadanie czegoś z określoną ilością energii będzie oznaczało, że cząstki nie będą oddziaływać jak zwykle, a jeśli otrzymamy cząstki o energii odpowiadającej 22 mikrogramom za pomocą wzoru E = mc ^ 2, można zyskać energię na 10 ^ 19 GeV, zanim twój system odmówi upału. Zaczniesz pojawiać się czarne dziury, które natychmiast rozpadną się do stanu niskoenergetycznego promieniowania cieplnego. Okazuje się, że ta granica energii, limit Plancka, jest górna dla Wszechświata i odpowiada temperaturze 10 ^ 32 Kelwinów. Jest to znacznie mniej niż poprzedni limit, ponieważ nie tylko sam Wszechświat jest skończony, ale czarne dziury działają również jako środek odstraszający. Jednak to nie wszystko: istnieje ograniczenie i więcej.

W pewnej temperaturze uwolnisz potencjał, który doprowadził nasz wszechświat do kosmicznej inflacji, ekspansji. Nawet w czasie Wielkiego Wybuchu Wszechświat znajdował się w stanie eksponencjalnej ekspansji, gdy przestrzeń rozszerzała się jak balon kosmiczny, tylko wykładniczo. Wszystkie cząstki, antycząstki i promieniowanie szybko oddzieliły się od innych cząstek kwantowych materii i energii, a kiedy inflacja się skończyła, nadszedł Wielki Wybuch..

Jeśli uda ci się osiągnąć temperatury, konieczne jest przywrócenie stanu inflacji, naciskasz przycisk restartu Wszechświata i jego przyszłości, wywołujesz inflację, potem Wielki Wybuch i tak dalej, od nowa. Jeśli jeszcze nie dotarłeś, zastanów się: jeśli dojdziesz do tej temperatury i wywołasz pożądany efekt, nie przeżyjesz. Teoretycznie może to nastąpić w temperaturach rzędu 10 ^ 28 - 10 ^ 29 Kelvinów, to tylko teoria..

Okazuje się, że łatwo można osiągnąć bardzo wysokie temperatury.. Chociaż zjawiska fizyczne, do których jesteś przyzwyczajony, będą się różniły w szczegółach, nadal możesz osiągać wyższe i wyższe temperatury, ale tylko do momentu, w którym wszystko, co jest ci drogie, zostanie zniszczone. Ale nie bój się Wielkiego Zderzacza Hadronów. Nawet w najpotężniejszym akceleratorze cząstek na Ziemi osiągamy energie, które są 100 miliardów razy niższe niż te wymagane do powszechnej apokalipsy..