Коя е най-горещата температура в известната Вселена и можем ли да я постигнем?


От това, което знаем за нашата Вселена, най-студената възможна температура е „абсолютната“ нула градуса по Келвин или -273,15 градуса по Целзий (-459,67 градуса по Фаренхайт). Но какво да кажем за възможно най-горещата температура?

Физиката е малко размита относно това как изглежда най-горещото от горещите, но теоретично казано, такова нещо съществува – или поне е съществувало – някога. Нарича се Планкова температурано, както с всичко в живота, не е толкова просто.

Какво е температурата все пак?

Първото нещо, което може да ви дойде на ум, когато мислите за температура, може да е описание на количеството топлина, което съдържа обектът. Или, по този въпрос, не съдържа.

Топлина, или Термална енергия, е важна част от обяснението. Нашето интуитивно разбиране за топлината е, че тя тече от източници с по-високи температури към тези с по-ниски температури, като кипяща чаша чай, която се охлажда, докато духаме върху нея.

От гледна точка на физиката, топлинната енергия е по-скоро като усредняване на произволни движения в система, обикновено между частици като атоми и молекули. Поставете два обекта с различни количества топлинна енергия достатъчно близо, за да се докоснат, и произволните движения ще се комбинират, докато двата обекта са в равновесие. Като форма на енергия топлината се измерва в единици джаули.

температураот друга страна, описва пренос на енергия от по-горещи към по-студени региони, поне теоретично. Обикновено се описва като скала в единици като Келвин, Целзий или Фаренхайт. Пламъкът на свещ може да има висока температура в сравнение с айсберга, но количеството топлинна енергия в нагрятия фитил няма да има голяма разлика, когато е поставено срещу планината от замръзнала вода.

Тогава какво точно е абсолютната нула?

Абсолютна нула е температура, така че е мярка за относителния пренос на топлинна енергия. На теория той маркира точка от температурна скала, където повече топлинна енергия не може да бъде отстранена от системата, благодарение на законите на термодинамика.

На практика тази точна точка е завинаги недостижима. Но можем да се приближим невероятно: всичко, от което се нуждаем, са начини да намалим средното количество топлинна енергия, разпределена между частиците на една система, може би с помощта на лазери или правилния вид флип-флоп магнитно поле.

Но в крайна сметка винаги има осредняване на енергията, което ще остави температурата част над теоретичната граница на това, което може да бъде извлечено.

Каква е възможно най-горещата температура?

Ако абсолютната нула задава ограничение на дърпане топлинна енергия от една система, може да е разумно, че има и ограничение за това колко топлинна енергия можем да вложим в една. Има. Всъщност има няколко ограничения, в зависимост от това за каква точно система говорим.

В едната крайност е нещо, наречено Температура на Планки е еквивалентен на 1,417 x 1032 Келвин (или нещо като 141 милиона милиона милиона милиона милиона милиона градуса). Това е, което хората често ще наричат ​​​​„абсолютно горещо“. Нищо в днешната Вселена не се доближава до тези видове температури, но съществуваше за кратък момент точно в зората на времето. В тази част от секундата – всъщност една единица планковско време – когато размерът на Вселената беше само една дължина на Планк, произволното движение на съдържанието й беше приблизително толкова екстремно, колкото можеше да стане.

Всички по-горещи и сили като електромагнетизма и ядрените сили биха били наравно със силата на гравитацията. Обясняването на това как изглежда това изисква физика, с която все още не разполагаме, такава, която обединява това, което знаем за квантовата механика, с тази на Айнщайн обща теория на относителността.

Това също са някои доста специфични условия. Времето и пространството никога повече няма да бъдат толкова ограничени. Днес най-доброто, което Вселената може да управлява, е нищожните няколко трилиона градуса създаваме, когато разбиваме атомите заедно в колайдер.

Обратното на абсолютната нула

Но има и друг начин да се погледне топлината, който преобръща целия въпрос за температурата.

Имайте предвид, че топлинната енергия описва средно движение между частите на системата. Всичко, което е необходимо, е малък процент от неговите частици, за да летят хаотично, за да се квалифицират като „горещи“.

И така, какво ще стане, ако обърнем това състояние и имаме много повече бързи частици, отколкото бавни? Това е, което физиците наричат ​​обърнато Разпределение на Максуел-Болцмани странно е, че е описано с помощта на стойности, които отиват под абсолютната нула.

Тази странна система изглежда изхвърля правилата по физика. Ние не само го определяме количествено като отрицателна до абсолютна нула, но и технически е по-гореща от всяка положителна стойност. Буквално по-горещо от горещо.

Като странност на статистиката, това не е нещо, което бихме намерили в нито един естествен ъгъл на Вселената. От една страна, това ще изисква безкрайно количество енергия, а след това и малко.

Това не означава, че не можем малко да изкривим правилата и да направим нещо подобно. През 2013 беше демонстрирано от физици от университета Лудвиг-Максимилиан Мюнхен и Института по квантова оптика Макс Планк в Германия; те обаче са използвали атомни газове в много специфични настройки, които налагат свои собствени горни енергийни граници.

Резултатите бяха стабилна система от частици с толкова много кинетична енергия, че стана невъзможно да се набутат повече. Единственият начин да се опише това конкретно подреждане беше чрез използване на температурна скала, която влизаше в отрицателен Келвин, или няколко милиардни от градуса под абсолютната нула .

Такова странно състояние на теория би могло да абсорбира топлинна енергия не само от по-горещи пространства, но и от по-студени, което го прави истинско чудовище с екстремни температури.

В този дяволски ъгъл на Вселената, една машина ще може да се изпъхва с по-голяма от 100 процента ефективност, докато се захранва от горещо и студено, като изглежда, че си пали носа към законите на термодинамиката.

Всички Explainers се определят от проверките на факти като правилни и подходящи към момента на публикуване. Текстът и изображенията могат да бъдат променяни, премахвани или добавяни като редакционно решение, за да се поддържа информацията актуална.