Содержание
Самая высокая температура во Вселенной
Человечество всегда стремится ставить рекорды. Но удастся ли нам когда-нибудь нагреть на Земле вещество до самой высокой температуры во Вселенной?
Никита Шевцев
Есть два подхода к определению максимальной температуры: один довольно простой, а второй не ясен большинству физиков
Самая низкая возможная температура — это абсолютный ноль градусов Кельвина, или -273,15°С. Но как насчет максимально высокой возможной температуры? В отношении верхнего предела температур физика во многом остается неясной, но теоретически, она должна существовать – или, по крайней мере, существовала когда-то. Она называется температурой Планка, но в ее определении не все так просто.
Сначала вспомним то, чему нас учат в школе — температура является мерой энергии атомов. Это значит, что ниже абсолютного нуля температура опускаться не может, ведь он означает точку, при которой атомы тела лишаются всей энергии.
Если абсолютный ноль устанавливает ограничение на извлечение тепловой энергии из системы, вполне возможно, что существует также ограничение на количество тепловой энергии, которое мы можем «втиснуть» в систему.
На самом деле, существует даже несколько ограничений, в зависимости от того, о какой именно системе мы говорим. На одной из крайностей находится то, что называется температурой Планка и она примерно равна 1,417 × 1032 Кельвина (или что-то вроде 142 миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов градусов). Это то, что часто называют «абсолютной температурой». Ничто в современной Вселенной не приближается к этим температурам, но она существовала мгновения после Большого взрыва. За эту долю секунды – фактически единственную единицу планковского времени – когда размер Вселенной составлял всего одну планковскую длину в поперечнике, случайное движение ее содержимого было настолько экстремальным, насколько это возможно.
Но есть и другой способ взглянуть на тепло, который переворачивает весь вопрос о температуре с ног на голову.
Имейте в виду, что тепловая энергия описывает среднюю скорость частиц системы. Все, что требуется, это небольшой процент частиц, которые хаотично летают с очень высокой скоростью.
Если так, то мы перевернем это состояние и получим гораздо больше быстрых частиц, чем медленных? Это то, что физики называют инвертированным распределением Максвелла–Больцмана, и, как ни странно, оно описывается значениями ниже абсолютного нуля. Эта странная система, похоже, нарушает все известные законы физики. Мы не только определяем ее как отрицательную по отношению к абсолютному нулю, она технически горячее любого положительного значения.
Это не значит, что мы не можем немного изменить правила и сделать что-то подобное. В 2013 году это было продемонстрировано физиками из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана и Института квантовой оптики Макса Планка в Германии. Однако они использовали атомные газы в очень специфических условиях, и у них есть свои собственные верхние энергетические пределы.
В результате получилась стабильная система частиц с такой большой кинетической энергией, что добавить еще больше энергии в нее стало невозможным. Единственный способ описать эту конкретную ситуацию — использовать температурную шкалу Кельвина с отрицательными значениями, или на несколько миллиардных долей градуса ниже абсолютного нуля.
Какая самая высокая температура во Вселенной, и можем ли мы ее достичь?
взрыв звезды
Из того, что мы знаем о нашей Вселенной, самая низкая возможная температура составляет «абсолютный» ноль градусов Кельвина, или -273,15 градуса Цельсия (-459,67 градуса по Фаренгейту). Но как насчет максимально возможной температуры?
Теоретически максимально возможная температура существует — или, по крайней мере, существовала — когда-то существовала. Она называется температурой Планка, но, как и все в жизни, не все так просто.
Что такое температура?
Первое, что может прийти на ум при мысли о температуре, — это описание количества тепла, которое содержит объект.
Или, если уж на то пошло, не содержит.
Теплота, или тепловая энергия, является важной частью объяснения. Наше интуитивное понимание тепла состоит в том, что оно течет от источников с более высокой температурой к источникам с более низкой температурой, подобно дымящейся чашке чая, охлаждающейся, когда мы дуем на нее.
С точки зрения физики, тепловая энергия больше похожа на усреднение случайных движений в системе, обычно среди частиц, таких как атомы и молекулы. Поместите два объекта с разным количеством тепловой энергии достаточно близко, чтобы можно было соприкоснуться, и случайные движения будут комбинироваться, пока оба объекта не придут в равновесие. Как форма энергии, теплота измеряется в джоулях.
Температура, с другой стороны, описывает передачу энергии от более горячих областей к более холодным, по крайней мере, теоретически. Обычно он описывается как шкала в таких единицах, как Кельвин, Цельсий или Фаренгейт. Пламя свечи может иметь более высокую температуру по сравнению с айсбергом, но количество тепловой энергии в ее нагретом фитиле не будет иметь большого значения, если его поместить на фоне горы замерзшей воды.
\n’ +
‘
Что же такое абсолютный ноль?
Абсолютный ноль — это температура, поэтому он является мерой относительной передачи тепловой энергии. Теоретически, это точка на температурной шкале, где тепловая энергия больше не может быть удалена из системы благодаря законам термодинамики.
Практически говоря, эта точная точка всегда недосягаема. Но мы можем подойти очень близко: все, что нам нужно, — это способы уменьшить среднее количество тепловой энергии, распределяемой между частицами системы, возможно, с помощью лазеров или подходящего типа триггерного магнитного поля.
Но, в конце концов, всегда есть усреднение энергии, которое оставит температуру на долю выше теоретического предела того, что можно извлечь.
Какая самая высокая температура?
Если абсолютный ноль устанавливает предел для извлечения тепловой энергии из системы, то вполне естественно, что существует также предел того, сколько тепловой энергии мы можем впихнуть в систему. На самом деле существует несколько ограничений, в зависимости от того, о какой именно системе мы говорим.
На одном полюсе находится то, что называется температурой Планка и эквивалентно 1,417 x 1032 Кельвина (или что-то вроде 141 миллиона миллионов миллионов миллионов миллионов градусов). Это то, что люди часто называют «абсолютно горячим». Ничто в сегодняшней Вселенной не приближается к таким температурам, но они действительно существовали в течение короткого момента прямо на заре времен.
За эту долю секунды — фактически одну единицу планковского времени — когда размер Вселенной составлял всего одну планковскую длину, случайное движение ее содержимого было настолько экстремальным, насколько это возможно.
Чуть горячее, и такие силы, как электромагнетизм и ядерные силы, будут на одном уровне с силой гравитации. Объяснение того, как это выглядит, требует физики, которой мы еще не овладели, которая объединяет то, что мы знаем о квантовой механике, с общей теорией относительности Эйнштейна.
Это тоже довольно специфические условия. Время и пространство больше никогда не будут так ограничены. Сегодня лучшее, на что способна Вселенная, — это мизерные несколько триллионов градусов, которые мы создаем, когда сталкиваем атомы в коллайдере.
Текст и изображения могут быть изменены, удалены или добавлены по решению редакции для обеспечения актуальности информации.
878
Опубликовано:
‘ +
‘
Какая самая высокая возможная температура?
Говорить о минимально возможной температуре кажется относительно простым.
Самый холодный из холодов — это абсолютный ноль. Как вы знаете, движение вызывает трение, которое вызывает тепло. Таким образом, абсолютный ноль — это, по сути, когда все движение останавливается. Температура достигает -459,67 градусов по Фаренгейту (-273,15 градусов по Цельсию). Мы подошли довольно близко к достижению этой температуры. Совсем недавно ученые из Массачусетского технологического института (MIT) охладили молекулы всего до 500 миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля.
А как насчет максимально возможной температуры? Есть ли абсолютный хот?
MIT охладил молекулы натрия-калия (NaK) до температуры 500 нанокельвинов. Здесь молекула NaK представлена слитыми вместе замороженными сферами льда: меньшая сфера слева представляет собой атом натрия, а большая сфера справа — атом калия. Фото: Хосе-Луис Оливарес/MIT
На самом деле все не так просто. Остановить любое движение — это одно, но как измерить максимальное движение? Как довести энергию до бесконечности? Теоретически это возможно.
Но теория — это не обязательно то, что мы наблюдаем в нашей физической реальности.
Таким образом, максимально возможная известная температура составляет 142 нониллиона кельвинов (10 32 К). Это самая высокая температура, известная нам в соответствии со стандартной моделью физики элементарных частиц, которая лежит в основе и управляет нашей Вселенной. Помимо этого, физика начинает разрушаться. Это известно как температура Планка.
Если вам интересно, число выглядит примерно так: 142 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 (это действительно большое число). В конечном счете, это может произойти только тогда, когда частицы достигнут так называемого теплового равновесия. Физики утверждают, что для того, чтобы это была самая высокая температура, Вселенная должна достичь теплового равновесия с такой высокой температурой, чтобы все объекты имели одинаковую температуру.
Ближе всего, по мнению ученых, мы подошли к этой температуре, что неудивительно, сразу после Большого Взрыва.
В самые ранние моменты нашей Вселенной пространство-время расширялось так быстро (период, известный как инфляционный период), что частицы не могли взаимодействовать, а это означает, что не могло быть теплообмена. На этом этапе ученые утверждают, что во всех смыслах и целях у космоса не было температуры.
Без теплообмена. Без температуры.
Изображение предоставлено НАСА 9.0002 Но это быстро закончилось. Ученые утверждают, что всего через долю доли секунды после того, как наша Вселенная образовалась, пространство-время начало вибрировать, из-за чего температура Вселенной достигла примерно 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 (10 27 ) Кельвинов.
И с этого момента наша Вселенная растет и остывает. Так. Считается, что этот момент, который произошел сразу после начала нашей Вселенной, является самым горячим моментом во Вселенной, временем, когда была достигнута самая высокая температура, которая когда-либо будет достигнута.
Просто для сравнения: самая высокая температура, с которой мы когда-либо сталкивались, находится в Большом адронном коллайдере.
Когда они сталкивают частицы золота вместе, на долю секунды температура достигает 7,2 триллиона градусов по Фаренгейту. Это горячее, чем взрыв сверхновой.
Поделиться этой статьей
Измерена самая высокая температура во Вселенной
ВАШИНГТОН (ISNS) — Вы не найдете самую горячую точку на планете в Долине Смерти в Калифорнии или даже в расплавленном ядре Земли. Честь достается туннелю на глубине 12 футов под снегом, который сейчас покрывает Лонг-Айленд, штат Нью-Йорк, где каждый день происходят крошечные взрывы, более сильные, чем атомная бомба.
Огненные взрывы, созданные «атомным ускорителем» в Брукхейвенской национальной лаборатории в Аптоне, установили новый рекорд самой высокой температуры, когда-либо измеренной: 4 триллиона градусов Цельсия. Это намного горячее, чем в центре Солнца (всего 15 миллионов градусов), и примерно в 40 раз более палящее, чем сверхновые, высвобождаемые взрывами умирающих звезд.
«Это более высокая температура, чем все, что мы знаем во Вселенной», — сказал физик Стивен Вигдор из BNL, член группы, которая сообщила о новом рекорде 15 февраля на собрании Американского физического общества в Вашингтоне.
, округ Колумбия
Но Вигдор и его коллеги не делают оружие из своих рекордных подземных огненных шаров. Каждый взрыв намного меньше атома, слишком мал, чтобы быть разрушительным.
Ученые путешествуют во времени.
Их эксперименты направлены на воссоздание первой микросекунды после Большого взрыва, когда термометр, воткнутый в новорожденную Вселенную, показал бы температуру в несколько триллионов градусов. Согласно современным теориям, до появления первых планет, галактик и даже атомов космос был заполнен горячим супом из мельчайших частиц, называемых кварками и глюонами.
Теперь эти теории впервые получили окончательное подтверждение. Экстремальные температуры взрывов ученых подтверждают, что они успешно сварили крошечные капли этого первобытного бульона — вещества, называемого «кварк-глюонной плазмой», которого не существовало почти 14 миллиардов лет.
Как приготовить субатомный суп
Рецепт кварк-глюонной плазмы требует триллионов золотых «ионов» — голых атомов, лишенных внешнего электронного покрытия, так что остаются только твердые центры.
Эти тяжелые ионы золота разгоняются почти до скорости света на релятивистском коллайдере тяжелых ионов BNL (RHIC, произносится как «Рик»), подземной гоночной трассе протяженностью 2,4 мили.
Два луча, наполненные золотыми частицами, движутся в противоположных направлениях по двум дорожкам круговой дорожки. Там, где пересекаются полосы, пересекаются лучи. Большинство крошечных кусочков золота безвредно свистят друг о друга, но некоторые врезаются друг в друга и взрываются.
«Мы проанализировали около тысячи столкновений в секунду, всего около миллиарда», — сказала Барбара Джакак из Университета Стоуни-Брук в Нью-Йорке.
В тепле, выделяемом лобовым столкновением, ионы золота распадаются на частицы, которые плавятся, образуя каплю сверхгорячей кварк-глюонной плазмы размером не больше атома.
«Мы сбрасываем огромное количество энергии в очень маленький объем, — сказал Вигдор.
Эта плазма существует лишь короткое мгновение.
Если бы секунда равнялась размеру всех пляжей на планете, количество времени, в течение которого плазма держится вокруг, было бы меньше песчинки.
Очень маленький и невероятно короткий
Как ученые измеряют температуру чего-то, что происходит за такое короткое время и в таком маленьком пространстве?
Детекторы RHIC не могут напрямую наблюдать кварк-глюонную плазму. Вместо этого они работают в обратном направлении от доказательств, оставшихся после столкновения ионов золота.
Столкновения создают миниатюрные вспышки света, регистрируемые детекторами. Множество столкновений, сложенных вместе, производят свечение, которое можно измерить для расчета их температуры.
В 2005 году были обнаружены и другие доказательства того, что эта кварк-глюонная плазма представляет собой жидкость, почти лишенную трения, похожую на воду, но еще более гладкую. Четырнадцать миллиардов лет назад вся вселенная перетекла за доли секунды.