Привет. Несколько дней назад я получил письмо с весьма занятным вопросом – существует ли верхней передел температуры?
Давайте сегодня поговорим об этом.
Температура — это не что иное, как отражение скорости, с которой движутся атомы вещества. И чем быстрее они движутся, тем горячее нам покажется тот или иной предмет, который из них состоит.
По этой причине самая низкая температура, до которой может остыть материальное тело, составляет -273,15° C. Это так называемый абсолютный ноль, который возникает, когда атомы становятся практически неподвижными. И образец материи будет при такой температуре твёрдым.
Но если его начать разогревать, то в какой-то момент он начнёт плавиться. Интересный факт: вещество с самой высокой известной температурой плавления – это сплав гафния, тантала и углерода, который становится жидким при температуре 4126°C.
Но бывают температуры и гораздо выше.
Хотя молекулы жидкости не соединены химическими связями, они всё равно стремятся находится близко друг к другу, поскольку между ними все-таки действуют некоторые слабые силы. Но если температура жидкости достаточно повысится, её атомы будут двигаться так быстро, что даже это притяжение не сможет удержать их вместе. В этот момент молекулы начнут «отскакивать» друг от друга каждый раз, когда будут встречаться, и не смогут сохранять сцепление.
Так появляется газообразное состояние вещества.
Самая высокая температура испарения среди всех химических элементов — у вольфрама. Её значение – 5930° C. Но и это далеко не предел.
Если температуру вещества повысить ещё выше, то атомы будут двигаться так быстро, что при столкновениях примутся выбивать электроны друг у друга. Когда это происходит, атомы газа приобретут электрический заряд и станут плазмой.
В таком состоянии температура вещества может возрасти до запредельных цифр. Например, температура плазмы, составляющей ядро Солнца, составляет около 15 миллионов градусов. При такой температуре ядра атомов движутся так быстро, что при столкновении могут сливаться, и становятся новыми элементами.
Чем больше размер звезды, тем горячее плазма внутри неё. Ядро самых крупных звёзд может быть разогрето до 200 миллионов градусов.
И на самом деле это ничто. Ведь существуют явления, при которых температура может достигать просто чудовищных значений.
Это случается, например, когда у очень большой звезды заканчивается топливо, но она не имеет достаточной массы для образования чёрной дыры. И тогда рождается сверхновая. Температура вещества в ходе этого процесса может достигать 1 триллиона градусов! Очень кратковременно, конечно. Через несколько секунд температура опускается до освежающих 100 миллионов градусов по Цельсию.
Ну что. Теперь мы, должно быть, уже близки к какому-то пределу?
Нет. Мы только что достигли порядка величины, обозначающего следующий предел. Это так называемая температура Хагедорна, которая достигается при 2 миллиардах градусов по Цельсию.
Давайте посмотрим, что происходит с веществом при таких температурах.
Протоны и нейтроны, из которых состоят атомы, состоят из ещё более мелких частиц — кварков. Каждый протон и каждый нейтрон на самом деле представляют собой группу из трёх кварков, объединённых сильным ядерным взаимодействием.
Когда материя достигает температуры Хагедорна, протоны и нейтроны начинают двигаться так быстро, что при столкновении разлагаются на более простые компоненты, образуя «суп» из фундаментальных частиц, называемый кварк-глюонной плазмой.
Хотя приведённое выше объяснение даёт общее представление о том, что происходит при таких температурах, на самом деле там не всё так просто.
Однако в любом случае температуру Хагедорна можно было бы рассматривать как своего рода температуру испарения самого вещества, при которой даже ядра атомов перестают существовать как таковые.
Интересно, что учёным удалось наблюдать «суп» из кварков на Земле. В 2010 году Релятивистский коллайдер тяжёлых ионов (RHIC), (Нью-Йорк), создал температуру в 4 миллиарда градусов, столкнув два пучка атомов золота на скоростях, близких к скорости света, что позволило на долю секунды превысить температуру Хагедорна.
В 2012 году Большой адронный коллайдер (БАК) улучшил этот рекорд, создав температуру, эквивалентную 5,5 триллионам градусов!
Конечно же, если источник энергии не будет поддерживать этот «суп» при экстремальных температурах, кварки снова объединятся через долю секунды после своего разделения в ядрах, снова становясь более стабильными частицами, такими как протоны или нейтроны.
Считается, что вся Вселенная представляла собой «суп» из кварков в течение нескольких миллисекунд, вскоре после Большого взрыва, прежде чем температура упала настолько, что все эти фундаментальные частицы объединились и образовали протоны и нейтроны.
И, наконец, мы достигли финального температурного участка.
После получения «супа» из кварков температура вещества может продолжать повышаться до следующего предела — планковской температуры, что эквивалентно 140 квинтиллионам градусов! Чтобы получить представление о потрясающей воображение величине этой температуры, только представьте, что температура Хагедорна составляет всего 0,0000000000000000001% от неё!
Но что особенного в этом пределе, кроме того, что считается, что это температура, которой достигла Вселенная во время своего формирования?
Что ж, начиная с планковской температуры, современные физические модели больше не могут предсказать, что происходит с материей.
Это происходит потому, что частицы с планковской температурой излучают настолько мощное излучение, что их длина волны уменьшается до планковской длины — наименьшего возможного измерения. И это проблема. И не только потому, что длины ниже этой величины теряют всякий физический смысл, но и потому, что влияние гравитации становится таким же, как и эффекты от остальных фундаментальных сил на этих масштабах.
К сожалению, современные модели пока не способны объединить гравитацию (которая задаёт структуру Вселенную в большом масштабе) и остальные фундаментальные силы (которые действуют в субатомном масштабе) в одной теории. Поэтому пока не будет создана Теория Всего, которая примирит эти концепции, мы не можем узнать, что происходит с материей, когда её температура становится просто недоступной для понимания человеческим мозгом.
Итак, планковская температура является абсолютным пределом температуры, да? (спросит мой пытливый читатель).
Нет. Это просто точка, находясь в которой нельзя предсказать, что произойдёт с частицами, если их скорость продолжит увеличиваться.
На самом деле, по крайней мере в теории, верхнего температурного предела не существует, поскольку скорость частицы может увеличиваться бесконечно, все больше приближаясь к значениям, близким к скорости света.
Говоря о столь экстремальных температурах, как у Хагедорна или Планка, лучше перестать ссылаться на скорость частиц и поговорить об их кинетической энергии.
Частица может сколь угодно долго наращивать свою скорость, приближая её к скорости света, но никогда не достигнет её.
Следовательно, кинетическая энергия частицы может увеличиваться бесконечно, потому что она может двигаться со скоростью, все более приближающейся к скорости света, не нарушая при этом никаких физических законов (хотя для этого потребуется колоссальное количество энергии).
Другими словами, дела обстоят так: верхний предел температуры неизвестен, но, начиная с планковской температуры, мы понятия не имеем, что происходит с веществом.
Всем добра.
Лучшие товары по низким ценам!
Реклама ООО Яндекс ИНН 7736207543