Самая низкая и высокая температура во Вселенной
Абсолютно всем известен факт о том, что минимальный предел температуры это – 273,15 градуса по Цельсию или 0 градусов по Кельвину. Но почему именно эта цифра стала абсолютным нулём? И чем можно характеризовать изменение температуры вещества? Всё дело в энергии, под действием которой происходит непрерывное движение молекул.
При нагревании тела скорость движения его атомов увеличивается, а при остывании, напротив, уменьшается. Когда же их хаотичное движение полностью прекратится, это будет означать состояние термодинамического покоя тела. Иными словами, оно не будет испускать никакой энергии. Это и будет абсолютный минимум температуры, самая низкая температура Вселенной. Но на самом деле, абсолютный нуль – это лишь физическая модель, в точности повторить которую на реальной практике невозможно, поскольку даже при температуре – 273 С атомы всё равно будут немного двигаться. Об этом говорит принцип неопределенности Гейзенберга.
Разобравшись с этим вопросом, на ум сразу же приходит другой: существует ли максимально высокая температура?
Судя по всему, вещество будет нагреваться до тех пор, пока скорость движения частиц не подойдёт близко к скорости света, ведь она максимально возможная. Но не всё так просто. Тело может принимать энергию и после преодоления скоростного предела, но по мнению учёных, в один момент, температура тела перестанет повышаться.
Руководствуясь известными научными фактами, проведём теоретический опыт и попытаемся узнать, что произойдёт, если бесконечно долго нагревать какое-то вещество.
Для эксперимента будем использовать воду
Дело в том, что скорость частиц воды вряд-ли когда-нибудь достигнет около световой скорости, поскольку молекулы воды начнут распадаться на атомы уже после достижения 1000 С. В результате распада образуются атомы кислорода и водорода. А при дальнейшем нагрева воды, атомы начнут терять свою целостность и произойдёт атомный распад вещества. В результате образуются электроны и атомные ядра, то есть ионизированная плазма. При продолжении нагревания до 20 миллиардов градусов, материя распадется на ещё более мелкие частицы, и атомные ядра расколются на нейтроны и протоны.
При достижении отметки в 2 триллиона градусов наиболее прочные связи начнут разрываться, образуя элементарные частицы – кварки и глюоны. Но даже это не минимальная единица существования материи.
Если мы увеличим температуру… ну, не воды, а уже нашей «глюоновой плазмы» в 1000 раз, то получим в итоге однородную радиацию, излучение, такое как свет. Но это ещё не предел. Мы имеем возможность добавить в наш суп ещё немного энергии и увеличить его температуру. Сколько так ещё может продолжаться? Этот процесс кончится когда энергия настолько сожмется в пространстве, что начнется формирование чёрных дыр, которые самоуничтожаться сразу после своего образования.
Науке удалось измерить этот энергетический предел. Он равен 1,416808*10 32 Кельвина. Эта величина названа планковской и она самая высокая температура во Вселенной. Но чисто гипотетически, учитывая масштабы вселенской энергии, мы может продолжать нагревать нашу систему. Но пока точно неизвестно, что может случится при преодолении максимальной точки температурного состояния вещества. Будущее покажет!
Источник
Какая температура максимально возможна во Вселенной?
Мы знаем, что минимально возможная температура составляет -273.15 °C. При такой температуре движение частиц прекращается, и выделяемая ими тепловая энергия становится равна нулю. Вероятно, должна существовать и такая точка, выше которой частицы уже не смогут выделять больше тепловой энергии, достигнув своего максимума.
Современная физика считает, что эта точка находится на уровне 1.41679 × 10 32 K (Кельвинов) и называется Планковской температурой. Именно такой была температура Вселенной в первые доли секунд после Большого взрыва.
Как Кельвины перевести в Цельсии?
В физике удобно измерять температуру в Кельвинах, которые не подразумевают наличие шкалы отрицательной температуры, то есть абсолютный ноль здесь равен нулю. Чтобы представить температуру в более привычных нам градусах Цельсия, достаточно знать формулу, по которой вычисляется температура в Кельвинах. TK (темп. В Кельвинах)= TC (температура в Цельсиях) + T0 (константа, равная 273.15). Иными словами, чтобы перевести кельвины в Цельсии, достаточно вычесть из Кельвинов число 273.15. например, 1000 К = 1000 — 273.15 = 726.85 °C.
Учитывая формулу по переводу Кельвинов в градусы Цельсия, мы можем представить планковскую температуру в градусах Цельсия как 1.41679 * 10(32)-273.15 °C. Конечно, данная оценка вычислена теоретически и основана на том, что если материи, разогретой до Планковской температуры, придать ещё энергии, то это не приведет к увеличению скорости частиц и, как следствие, повышению температуры. Зато вызовет появление новых частиц во время хаотических столкновений уже существующих, что приведет к росту массы материи. Но представим, что материи, разогретой до планковской температуры, всё-таки придать ещё энергии, чтобы попытаться нагреть её ещё больше. В таком случае, всю Вселенную ждет… а что ждет Вселенную после прохождения точки планковской температуры, не знает никто. Вероятно, гравитационное взаимодействие между частицыми разогретой материи станет настолько сильным, что сравняется с тремя другими взаимодействиями: электромагнитным, сильным и слабым. Описать физику нашего мира а таких не может ни одна существующая на сегодняшний день физическая теория.
Но вернемся от дел космических к делам земным. В своих попытках достичь максимально возможной температуры в пределах лабораторий человек установил температурный рекорд на уровне около 5.5 триллионов Кельвинов, что можно записать как 5*10 12 К. Конечно, ученые не разогревали кусок железа до этой немыслимой температуры — на это просто не хватило бы энергии. Данная температура была зафиксирована во время эксперимента в Большом адронном коллайдере во время столкновения ионов свинца при околосветовых скоростях.
Источник
Какая максимально возможная температура во Вселенной?
Все объекты в нашей Вселенной отвечают определенным законам физики.
Среди всех физических параметров, одним из наиболее интересных является температура. Если с минимальной температурой все понятно – она равна -273 °С. Это абсолютный ноль, при котором прекращается все тепловое движение атомов и молекул. К слову, на практике достигнуть абсолютного ноля не возможно.
Если есть минимальный порог температуры, соответственно должен быть и максимум для температуры. И он действительно есть – это Планковская температура.
Температура Планка — это возможный максимум, который основан на пределах квантовой механики. Она равна 1,41674*10 в 32-й степени К. Или это 141 нониллион (число с 30 нулями) градусов по Кельвину.
На практике, настолько высокой температуры не существует. Ученые считают, что планковская температура была достигнута в момент зарождения Вселенной при Большом взрыве.
В физике при достижения абсолютного максимума температуры, у элементарных частиц энергия становиться настолько высокой, что они распадаются на фундаментальные частицы.
Все же температура Планка не является истинно самой высокой. Это самый большой показатель, который способна описать современная физика. После распада на элементарные неделимые частицы, возможен и дальнейший рост температуры, просто мы не можем сказать, что будет дальше с фундаментальными частицами.
Не исключено, что в ближайшее десятилетия нам откроются новые знания. К примеру, не так давно все человечество было уверенно, что самой мелкой неделимой частью есть атом. Но потом как оказалось он состоит с нейтронов, электронов, протонов и ядра. Далее стало известно, что нейтроны состоят с кварков. Но мы не можем сейчас быть на 100% уверенным что кварк это самая мелкая неделимая частица.
Соответственно максимум температуры может быть пересмотрен и стать значительно выше.
Источник
Существует ли предел температуры?
Если вы изымете всю энергию из чего-нибудь, вы достигнете абсолютного ноля, самой низкой температуры во Вселенной (ну или почти абсолютного ноля, чем больше, тем лучше). Но какова самая высокая температура? «Ничто не пропадает. Все трансформируется», — говорил Майкл Энде. Думаю, очень многие задавались вопросом касательно самой высокой возможной температуры и не находили ответа. Если есть абсолютный ноль, должен быть и абсолютный… что?
Возьмем классический эксперимент: капнем пищевым красителем в воду с разной температурой. Что мы увидим? Чем выше температура воды, тем быстрее пищевой краситель распределяется по всему объему воды.
Почему так происходит? Потому что температура молекул непосредственно связана с кинетическим движением — и скоростью — участвующих частиц. Это значит, что в воде погорячее отдельные молекулы воды движутся с большей скоростью, и это значит, что частицы пищевого красителя быстрее будут транспортироваться в горячей воде, нежели в холодной.
Если бы вы остановили все это движение — довели все до идеального состояния отдыха (даже преодолели законы квантовой физики ради этого) — тогда вы достигли бы абсолютного ноля: самой холодной возможной термодинамической температуры.
Но как насчет движения в другую сторону? Если вы будете нагреваться систему частиц, очевидно, они будут двигаться все быстрее и быстрее. Но есть ли предел тому, как сильно вы сможете их нагреть, нет ли какой-нибудь катастрофы, которая помешает вам нагревать их после определенного предела?
При температуре в тысячи градусов тепло, которое вы передаете молекулам, начнет разрушать сами связи, которые удерживают молекулы вместе, и если вы будете продолжать увеличивать температуру, электроны начнут отделяться от самих атомов. Вы получите ионизированную плазму, состоящую из электронов и атомных ядер, в которой не будет нейтральных атомов вовсе.
Это еще в рамках разумного: у нас имеются отдельные частицы — электроны и положительные ионы — которые будут прыгать при высоких температурах, подчиняясь привычным законам физики. Вы можете повышать температуру и ждать продолжения.
При дальнейшем повышении температуры отдельные сущности, которые известны вам под «частицами», начинают разбиваться. Примерно при 8 миллиардах градусов (8 x 10^9), вы начнете спонтанно производить пары материи-антиматерии — электроны и позитроны — из сырой энергии столкновений частиц.
При 20 миллиардах градусов атомные ядра начнут спонтанно разрываться на отдельные протоны и нейтроны.
При 2 триллионах градусов протоны и нейтроны перестанут существовать, и появятся фундаментальные частицы, их составляющие — кварки и глюоны, их связи при таких высоких энергиях уже не выдерживают.
Примерно при 2 квадриллионах градусов вы начнете производить все известные частицы и античастицы в огромных количествах. Но и это не является верхним пределом. В этих пределах происходит много интересного. Видите ли, это та энергия, при которой вы можете произвести бозон Хиггса, а значит и та энергия, при которой вы можете восстановить одну из фундаментальных симметрий во Вселенной: симметрию, которая дает частице массу покоя.
Другими словами, как только вы нагреете систему до этого энергетического предела, вы обнаружите, что все ваши частицы теперь безмассовые и летают со скоростью света. То, что было для вас смесью материи, антиматерии и радиации, станет чистой радиацией (будет вести себя как она), оставаясь при этом материей, антиматерией или ни тем ни другим.
И это еще не конец. Вы можете нагревать систему до еще более высоких температур, и хотя быстрее двигаться в ней все не будет, оно будет преисполняться энергией, подобно тому как являются формой света радиоволны, микроволны, видимый свет и рентгеновские лучи (и все движутся со скоростью света), даже если обладают совершенно разной энергией.
Возможно, рождаются пока неизвестные нам частицы или проявляются новые законы (или симметрии) природы. Вы могли бы подумать, что достаточно просто нагревать и нагревать все до бесконечных энергией, чтобы это узнать, но не тут-то было. Есть три причины, почему это невозможно.
- Во всей наблюдаемой Вселенной имеется только конечное количество энергии. Возьмите все, что существует в нашем пространстве-времени: всю материю, антиматерию, радиацию, нейтрино, темную материю, даже энергию, присущую самому космосу. Существует порядка 10^80 частиц обычной материи, порядка 10^89 нейтрино и антинейтрино, чуть больше фотонов, плюс вся энергия темной материи и темной энергии, распространенные в радиусе 46 миллиардов световых лет наблюдаемой Вселенной, центр которой находится в нашей позиции.
Но даже если бы вы превратили все это в чистую энергию (с помощью E = mc^2), и даже если бы вы использовали всю эту энергию для нагрева своей системы, вы не получили бы бесконечное количество энергии. Если заключить все это в единую систему, вы получите гигантское количество энергии, равное примерно температуре в 10^103 градуса, но и это еще не бесконечность. Получается, верхний предел остается. Но прежде чем вы до него доберетесь, у вас будет еще одно препятствие.
- Если вы заключите слишком большое количество энергии в любом ограниченном регионе пространства, вы создадите черную дыру. Обычно вы думаете о черных дырах как об огромных, массивных, плотных объектах, способных проглотить орды планет: не заморачиваясь, небрежно, легко.
Дело в том, что если вы придадите отдельной квантовой частице достаточно энергии — даже если она будет безмассовой частицей, движущейся со скоростью света — она превратится в черную дыру. Есть масштаб, на котором просто иметь что-то с определенным количеством энергии, будет означать, что частицы не будут взаимодействовать как обычно, и если вы получите частицы с такой энергией, эквивалентной 22 микрограммам по формуле E = mc^2, вы сможете набрать энергию в 10^19 ГэВ, прежде чем ваша система откажется становиться горячее. У вас начнут появляться черные дыры, которые будут моментально распадаться до состояния низкоэнергетической термальной радиации. Получается, этот энергетический предел — планковский предел — является верхним для Вселенной и соответствует температуре в 10^32 кельвина.
Это намного ниже предыдущего предела, поскольку не только сама Вселенная конечна, но и черные дыры выступают сдерживающим фактором. Впрочем, это не все: есть ограничение и пуще.
- При определенной высокой температуре вы высвободите потенциал, который привел нашу Вселенную к космической инфляции, расширению. Еще во времена Большого Взрыва Вселенная пребывала в состоянии экспоненциального расширения, когда пространство раскладывалось, как космический воздушный шар, только в геометрической прогрессии. Все частицы, античастицы и излучение быстро разделялись с другими квантовыми частицами материи и энергии, и когда инфляция завершилась, настал Большой Взрыв.
Если вам удастся достичь температур, необходимых для возвращения состояния инфляции, вы нажмете кнопку перезапуска Вселенной и вызовете инфляцию, затем Большой Взрыв и так далее, все по новой. Если до вас пока не дошло, учтите: если вы доберетесь до этой температуры и вызовете нужный эффект, вы никак не выживете. Теоретически это может возникнуть при температурах порядка 10^28 – 10^29 кельвинов, это пока только теория.
Получается, вы можете легко набрать очень высокие температуры. Хотя физические явления, к которым вы привыкли, будут отличаться в деталях, вы по-прежнему сможете набирать температуры выше и выше, но только до точки, после которой все, что вам дорого, будет уничтожено. Но не бойтесь Большого адронного коллайдера. Даже на самом мощном ускорителе частиц на Земле мы достигаем энергий, которые в 100 миллиардов раз ниже, чем необходимые для вселенского апокалипсиса.
Источник