Чи існує межа температури? Яка найвища температура на землі?

Якщо ви вилучите всю енергію з чогось, ви досягнете абсолютного нуля, найнижчої температури у Всесвіті (ну або майже абсолютного нуля, чим більше, тим краще). Але яка найвища температура? "Ніщо не пропадає. Все трансформується", - говорив Майкл Енді. Думаю, дуже багато задавалися питанням щодо найвищої можливої ​​температури і не знаходили відповіді. Якщо є абсолютний нуль, повинен бути і абсолютний ... що?

Візьмемо класичний експеримент: крапни харчовим барвником в воду з різною температурою. Що ми побачимо? Чим вище температура води, тим швидше харчовий барвник розподіляється по всьому об'єму води.

Чому так відбувається? Тому що температура молекул безпосередньо пов'язана з кінетичним рухом - і швидкістю - беруть участь частинок. Це означає, що в воді погарячіше окремі молекули води рухаються з більшою швидкістю, і це означає, що частинки харчового барвника швидше будуть транспортуватися в гарячій воді, ніж у холодній.

Якби ви зупинили все це рух - довели все до ідеального стану відпочинку (навіть подолали закони квантової фізики заради цього) - тоді ви досягли б абсолютного нуля: найхолоднішою можливої ​​термодинамічної температури.

Але як щодо руху в іншу сторону? Якщо ви будете нагріватися систему частинок, очевидно, вони будуть рухатися все швидше і швидше. Але чи є межа того, як сильно ви зможете їх нагріти, чи немає якоїсь катастрофи, яка завадить вам нагрівати їх після певної межі?

При температурі в тисячі градусів тепло, яке ви передаєте молекулам, почне руйнувати самі зв'язку, які утримують молекули разом, і якщо ви будете продовжувати збільшувати температуру, електрони почнуть відділятися від самих атомів. Ви отримаєте іонізовану плазму, що складається з електронів і атомних ядер, в якій не буде нейтральних атомів зовсім.

Це ще в рамках розумного: у нас є окремі частинки - електрони і позитивні іони - які будуть стрибати при високих температурах, підкоряючись звичним законам фізики. Ви можете підвищувати температуру і чекати продовження.

При подальшому підвищенні температури окремі сутності, які відомі вам під "частинками", починають розбиватися. Приблизно при 8 мільярдів градусів (8 x 10 ^ 9), ви почнете спонтанно виробляти пари матерії-антиматерії - електрони і позитрони - з сирої енергії зіткнень частинок.

При 20 мільярдах градусів атомні ядра почнуть спонтанно розриватися на окремі протони і нейтрони. При 2 трильйони градусів протони і нейтрони перестануть існувати, і з'являться фундаментальні частинки, їх складові - кварки і глюони, їх зв'язку при таких високих енергіях вже не витримують.

Приблизно при 2 квадрильйонів градусів ви почнете робити всі відомі частинки і античастинки в величезних кількостях. Але і це не є верхньою межею. У цих межах відбувається багато цікавого. Річ у тім, це та енергія, при якій ви можете зробити бозон Хіггса, а значить і та енергія, при якій ви можете відновити одну з фундаментальних симетрій у Всесвіті: симетрію, яка дає частці масу спокою.

Іншими словами, як тільки ви нагрієте систему до цього енергетичного межі, ви виявите, що всі ваші частки тепер безмасові і літають зі швидкістю світла. Те, що було для вас сумішшю матерії, антиматерії і радіації, стане чистою радіацією (буде вести себе як вона), залишаючись при цьому матерією, антиматерією або ні тим ні іншим.

І це ще не кінець. Ви можете нагрівати систему до ще більш високих температур, і хоча швидше рухатися в ній все не буде, воно буде перейматися енергією, подібно до того як є формою світла радіохвилі, мікрохвилі, видиме світло і рентгенівські промені (і все рухаються зі швидкістю світла), навіть якщо мають абсолютно різної енергією. Можливо, народжуються поки невідомі нам частки або виявляються нові закони (або симетрії) природи. Ви могли б подумати, що досить просто нагрівати і нагрівати все до нескінченних енергією, щоб це дізнатися, але не тут-то було. Є три причини, чому це неможливо.

У всій спостережуваного Всесвіту є тільки кінцеве кількість енергії. Візьміть все, що існує в нашому просторі-часі: всю матерію, антиматерію, радіацію, нейтрино, темну матерію, навіть енергію, властиву самому космосу. Існує близько 10 ^ 80 частинок звичайної матерії, порядку 10 ^ 89 нейтрино і антинейтрино, трохи більше фотонів, плюс вся енергія темної матерії і темної енергії, поширені в радіусі 46 мільярдів світлових років спостережуваному Всесвіті, центр якої знаходиться в нашій позиції.

Але навіть якщо б ви перетворили все це в чисту енергію (За допомогою E = mc ^ 2), і навіть якщо б ви використовували всю цю енергію для нагріву своєї системи, ви не отримали б нескінченну кількість енергії. Якщо укласти все це в єдину систему, ви отримаєте гігантську кількість енергії, що дорівнює приблизно температурі в 10 ^ 103 градуса, а й це ще не нескінченність. Виходить, верхня межа залишається. Але перш ніж ви до нього доберетеся, у вас буде ще одна перешкода.

Якщо ви укладете занадто велика кількість енергії в будь-якому обмеженому регіоні простору, ви створите чорну діру. Зазвичай ви думаєте про чорні діри як про величезні, масивних, щільних об'єктах, здатних проковтнути орди планет: чи не заморочуючись, недбало, легко. Справа в тому, що якщо ви додасте окремої квантової частинки досить енергії - навіть якщо вона буде безмассовой часткою, що рухається зі швидкістю світла - вона перетвориться в чорну діру. Є масштаб, на якому просто мати щось з певною кількістю енергії, буде означати, що частки не будуть взаємодіяти як зазвичай, і якщо ви отримаєте частки з такою енергією, еквівалентної 22 мікрограмів за формулою E = mc ^ 2, ви зможете набрати енергію в 10 ^ 19 ГеВ, перш ніж ваша система відмовиться ставати гаряче. У вас почнуть з'являтися чорні діри, які будуть моментально розпадатися до стану низькоенергетичної термальною радіації. Виходить, цей енергетичний межа - Планка межа - є верхнім для Всесвіту і відповідає температурі в 10 ^ 32 Кельвіна. Це набагато нижче попереднього межі, оскільки не тільки сама Всесвіт кінцева, а й чорні діри виступають стримуючим фактором. Втім, це не все: є обмеження і пущі.

При певній високій температурі ви вивільните потенціал, який привів нашу Всесвіт до космічної інфляції, розширенню. Ще за часів Великого Вибуху Всесвіт перебувала в стані експоненціального розширення, коли простір розкладалося, як космічний повітряна куля, тільки в геометричній прогресії. Всі частинки, античастинки і випромінювання швидко розділялися з іншими квантовими частинками матерії і енергії, і коли інфляція завершилася, настав Великий Вибух.

Якщо вам вдасться досягти температур, необхідних для повернення стану інфляції, ви натиснете кнопку перезапуску Всесвіту і її майбутнього, викличете інфляцію, потім Великий Вибух і так далі, все по новій. Якщо до вас поки не дійшло, врахуйте: якщо ви доберетеся до цієї температури і викличете потрібний ефект, ви ніяк не виживете. Теоретично це може виникнути при температурах порядку 10 ^ 28 - 10 ^ 29 кельвінів, це поки тільки теорія.

Виходить, ви можете легко набрати дуже високі температури. Хоча фізичні явища, до яких ви звикли, будуть відрізнятися в деталях, ви як і раніше зможете набирати температури вище і вище, але тільки до точки, після якої все, що вам дорого, буде знищено. Але не бійтеся Великого адронного коллайдера. Навіть на найпотужнішому прискорювачі часток на Землі ми досягаємо енергій, які в 100 мільярдів разів нижче, ніж необхідні для вселенського апокаліпсису.