Този сайт използва бисквитки (cookies). Ако желаете можете да научите повече тукПриемам
23 март 2017
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Говорят медиците
  •  Математика
  •  Разни
FACEBOOK

Колко най-горещо може да стане

Каква е теоретичната минимална и максимална температура и доколко са постижими

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 19 март 2017 в 10:0053980
Снимка: NASA

Топлината, която усещаме или измерваме, идва от кинетичната енергия на движението на молекулите. Колкото по-бързо се движат те, толкова е по-висока температурата.


 A.Greg; Wikimedia Commons user Greg L.

Непостижимото термодинамично дъно

Ако теоретично напълно спре всякакво движение и преодолеем​ природата на квантовата физика, това ще позволи да се постигне абсолютната нула - най-ниската термодинамична температура.

Тогава ще настъпят странни явления - електрически ток без съпротивление (свръхпроводимост),  движение без триене (суперфлуид), квантови явления, които можем да видим в нормалния си макро свят.

В термодинамиката, абсолютната нула е невъзможно да се постигне - това е температурата, при която ентропията достига минималната стойност. Ентропията е свойство, използвано за определяне на енергията, която се "губи", разсейва.

"Температурата е мярка за степента на "неподреденост" или "хаотичност" на системата", обяснява Моузес Чан (Moses Chan) от Университета на Пенсилвания. "Когато една система се охлажда до абсолютната нула, това означава, че системата е перфектно подредена и всички нейни съставки - молекули и атоми - са на правилното си място. Това е най-ниската възможна температура".

Абсолютната​ нула е 0ºK (0 градуса по скалата на Келвин, която обикновено се използва за абсолютни стойности) и се равнява на -273,15° по скалата на Целзий.

Но това състояние на най-ниска температура е непостижимо. Наскоро математици доказаха, че скоростта на доближаване към абсолютната нула има предел. Колкото сме по-близо до нулата, толкова по-трудно става това доближаване, подобно на постигането на скорости, близки до скоростта на светлината.

Настоящият световен рекорд за най-ниска температура в лабораторни условия е поставен през 1999 г. и е 100 пикокелвина или 0.0000000001 Келвина, но както казахме, достигането на абсолютната нула е невъзможно, поне за сегашните ни познания.

През февруари 2003 г. в мъглявината Бумеранг се наблюдава силен вятър 500 000 км/ч през последните 1500 години, който придава характерната форма на папийонка на мъглявината. Това е 10-100 пъти повече, отколкото при други подобни обекти. Така мъглявината се е превърнала в най-студеното естествено място във Вселената с приблизително 1 K, което ни е известно. Източник: Wikimedia Commons

Нагоре по стълбата на термометъра

Но какво все случва нагоре по скалата на температурата? Ако се затопли система от частици, те просто ще се движат по-бързо. Но има ли ограничение на температурата? Има ли граница която пречи да се продължи нагоре?

При температури хиляди келвини, топлината ще започне да разкъсва връзките в молекулите, още по-голямата топлина​ ще накара електроните да се откъснат от самите атоми. Ще се получи йонизирана плазма от електрони и оголени атомни ядра, без неутрални частици.

Но положението не е драматично. От йонизирана плазма се състоят звездите и нашето Слънце. Отделните частици в нея - отрицателните електроните и положителните йони - ще отскачат едни от други взаимно при тези високи температури, но ще се подчиняват на същите закони на физиката.

И може още да продължим по скалата нагоре:

8×10^9 K
(8 милиарда K)
от енергията на сблъсъците на частиците ще започнат спонтанно да се появяват двойки материя/антиматерия - електрони и позитрони
2×10^10 K
(20 милиарда K)
атомните ядра се разцепят на протони и неутрони
2×10^12 K
(2 трилиона K)
протоните и неутроните ще престанат да съществуват, а вместо тях ще се носят и сблъскват несвързани фундаменталните частици, които ги образуват - кварки и глуони.
2×10^15 K
(2 квадрилиона K)
ще започнат да се произвеждат всички известни частици и античастици в огромни количества. Появява се и Хигс бозонът.
над 2×10^15 K всички частици са без маса и летят със скоростта на светлината. Всичко ще бъде едновременно и материя, и антиматерия, и лъчение

Температурата може да се увеличава и още над 2×1015 K , макар че всички частици вече летят със скоростта на светлината, а нищо не може да се движи по-бързо от нея, частиците могат още да увеличат енергията си. Да си припомним, че радиовълните, микровълните, видимата светлина и рентгеновите лъчи, макар да се движат със скоростта на светлината, все пак имат различна енергия.

Можем ли да продължим да увеличаваме температурата до безкрай?

3 сериозни причини, които възпрепятстват безкрайното нарастване на енергията, изтъква астрофизикът Итън Сийгъл (Ethan Siegel).

1) Вселената съдържа крайно количество енергия

Дори ако вземем всичко, което съществува в пространство-времето, цялата материя (1080 частици) и антиматерия, 1089 броя частици неутрино и антинеутрино, лъчението с още толкова фотони, тъмната материя и тъмната енергия и даже енергията на самото пространство-време, ще получим много, страшно много, но все пак крайно количество.

И ако обърнем цялата тази материя в чиста енергия по формулата на Айнщайн (E = mc2) и ако използваме цялата енергия за нагряване на някаква система, пак няма да имаме безкрайно количество енергия. Ще получим температура от порядъка на 10103 К, което не е безкрайност.

Това е най-горният предел, но съществуват други непреодолими граници, които ще ни спрат, преди да достигнем това състояние.

Снимка: NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee, and P. Oesch, University of California, Santa Cruz; R. Bouwens, Leiden University; and the HUDF09 Team.

2) Ако съберем твърде много енергия на едно място, ще създадем черна дупка

Свикнали сме да си представяме черните дупки като огромни, масивни и плътни обекти. Но ако се придаде на една-единствена квантова частица достатъчно енергия - дори ако тя е без масова частица, движеща се със скоростта на светлината - тя ще се превърне в черна дупка. Гравитационните полета на отделните частици ще си взаимодействат по начини, които съвременната физика няма никаква представа.

Ако се придаде на такава частица енергия, еквивалентна на 22 микрограма, според E = mc2, тя ще достигне само 1019 GeV , защото системата ще откаже да се нагорещява повече. Ще се появяват спонтанно черни дупки, които след това веднага ще се разпадат до състояние на ниска енергия, излъчвайки топлина. 

Това се случва някъде около 10 32 Келвина, която обикновено се нарича температура на Планк. Това е продиктувано от Закона на Планк, заради който енергията не може да продължи да нараства. Това ограничение се появява, защото съществува теоретична долна граница на дължината на вълната на излъчването, която е дължината на Планк (1.6×10−35 м) и под която разстоянията губят физически смисъл. Това ограничение определя и горната граница на енергията. 

3) При определена висока температура ще се възстанови потенциалът, който може да доведе нашата Вселена да нов Голям взрив

Космическа инфлация. Илюстрация: Don Dixon.

Много космолози смятат, че най-горещата реална температура в историята на Вселената е с няколко порядъка по-хладна от температурата на Планк. В първите моменти след Големия взрив, разширяването настъпва толкова бързо, че частиците​ не биха могли да си взаимодействат, а Вселената по същество е без температура.

"В малка част от следващата секунда", разказва Стивън Александър (Stephon Alexander), физик в Университета Дартмут, "вълничките на пространство-времето са започнали да вибрират с материята. Това е довело до бързо нагорещяване на Вселената до около 10 27 К. Оттогава тя непрекъснато се разширява и охлажда".

Така че ако успеете да получите температура около 1028 - 1029 К, няма да оцелеете, защото на това ниво започва инфлацията и ще рестартирате Вселената и Големия взрив.

Източник: Moonrunner Design

Къде е измерена най-високата температура във Вселената след Големия взрив?

Невероятно, но най-високата температура във Вселената от 10 трилиона градуса по Целзий е получена по изкуствен път на Земята. Рекордът е направен на 7 ноември 2010 г. по време на експеримент в Големия адронен колайдер. Рекордната температура е 250000 пъти по-гореща от центъра на слънцето и е била за последно във Вселената части от секундата след Големия взрив.

Задачата на учените е била да получат кварк-глуонна плазма, която е изпълвала Вселената, преди да изстине и да се появят първите ядрени частици, в първите моменти след Големия взрив. За да постигнат това сблъскват снопове оловни йони със скорост близка до скоростта на светлината, при което се отделя огромна енергия. При такива енергии и температури ядрата на атомите буквално се стопяват и се образува "супа" от съставящите ги кварки и глуони. Така в лабораторни условия е получена кварк-глуонна плазма с най-високата температура от момента на възникване на Вселената.

Един от най-горещите случаи, регистрирани някога от детектора ALICE на Големия адронен колайдер от 10 трилиона градуса по Целзий , много, но далеч от предела. 

Каква е следващата стъпка в търсенето​ на все по-високи температури?

Физиците смятат, че с помощта на Големия адронен колайдер ще могат да уловят момента преди плазмата да се кондензира в адрони и мига преди да бъде създадено неравновесното състояние между материята и антиматерията (в противен случай нашата Вселена щеше да е изпълнена​ само с чиста енергия). По този начин, чрез тези изследвания, постигайки все по-високи температури, ще разберат по-добре процесите, които са се случили в ранните етапи на развитието на космоса.

Но не се страхувайте от Големия адронен колайдер. Температурите, които могат да се постигнат в ускорителя са стотици милиарди пъти по-малки от рисковите. 

Източници:

Ask Ethan #92: Is there a limit to temperature?

Probing Question: Are there upper and lower limits to temperature?

Geek Answers: What is the hottest possible temperature?

Ask Anything: What's The Hottest Temperature Possible?

The Latest from the LHC : Last period of proton running for 2010.


Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Физика

Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.