Защо температурите достигат до над 1 милиард градуса, но падат само до −273

Температурата е едно от фундаменталните понятия, които въпреки ежедневния ни опит с нея, лесно може да ни обърка. И това не е вярно само за неекспертите. Температурата е основна научна концепция от векове и разбирането на нейните граници има значение далеч отвъд чистата наука.

Всичко се свежда до термодинамиката, изследването на енергията, температурата, топлината и работата и как те са свързани помежду си. Четирите закона (от нулевия до третия) са толкова фундаментални, че се появяват в напълно различни дисциплини. И хора са посветили живота си в опити да ги опровергаят – но без успех.

Нулевият закон потвърждава, че температурата е важен емпиричен параметър и че топлинното равновесие е преходно. Така че, ако обект A и обект B са в топлинно равновесие с обект C, те също са в топлинно равновесие един с друг. Това до голяма степен означава, че термометрите наистина са точен начин за измерване на температурите на нещата и ако някой каже, че вчера е било X градуса и след това каже, че днес също е X градуса, това означава, че и двата дни са имали една и съща температура.

Една от любимите ни аналогии за останалите три закона е да си представим вселената като хазартна маса. Първият закон е запазването на енергията и е еквивалентен на това да знаете, че не можете да спечелите на тази маса, защото не можете да създадете нещо от нищото. Вторият закон ни казва, че дори не можете да завършите наравно, защото никоя система не е 100% ефективна и ентропията винаги се увеличава в една изолирана система. Третият гласи, че не можете да напуснете масата; не можете да решите да не играете тази игра – където и да отидете, вие сте подложени на законите на термодинамиката.

И според тези закони има най-ниска възможна температура: абсолютната нула.

Какво е абсолютна нула?

Температурата на обект или вещество се дължи на движението на неговите молекули: колкото по-горещо е, толкова повече молекулите се движат. Когато енергия се отстрани от система чрез термодинамични процеси (като в хладилник, например), молекулите се забавят.

И именно тук идва абсолютната нула. Ако постоянно махаме енергия от системата, ще дойде момент, в който молекулите ще са напълно неподвижни; няма да има как да ги забавите още. Тоест, не може да се достигне по-ниска температура.

Стойността на абсолютната нула е −273,15°C (или −459,67°F) или просто 0 Келвина по скалата на Международна система единици. Рекордът за най-ниската температура, достигана някога, бе счупен преди малко повече от година с охлаждането на газа рубидий до 38 пикокелвина (3,8 * 10-11 K), само съвсем мъничко над абсолютната нула.

Някаква част от Големият адронен ускорител

Коя е най-високата температура във Вселената?

Хората харесват симетрията, така че ако има долна граница, има ли и горна граница? Ами нещата не са толкова ясни, когато става въпрос за това колко горещо може да бъде нещо. Най-горещата температура, създавана някога в лабораторията, е 5 трилиона Келвина – в Големия адронен колайдер като това е била температурата на Вселената няколко мига след Големия взрив.

Но можем ли да е още по-горещо? Може да е възможно, защо не – що се отнася до физиката на най-горещата температура, тепърва ще откриваме какъв и къде, и колко е таванът. Абсолютната горещина (обратното на абсолютната нула) има редица възможности – може да бъде 10 000 пъти по-гореща от това, което сме постигнали в ускорителя на частици например. Но не е ясно.

Единственото ограничение, което може да се намери от физическа гледна точка, зависи от така наречената скала на Планк. Този набор от мерни единици зависи изключително от физически константи и има тенденция да сигнализира къде физиката, каквато я познаваме, се разпада. Температурата на Планк е еквивалентна на 1,4 x 1032 K. Това е 100 милиарда милиарда пъти повече от това, което можете да получим в ускорителя. Учените не вярват, че е възможно да стане по-горещо от това, но истинската граница може да е много по-ниска.