Горячий вопрос: можно ли достичь самой высокой температуры во Вселенной и какая она
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.
Самая высокая температура во Вселенной
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.
Есть два подхода к определению максимальной температуры: один довольно простой, а второй не ясен большинству физиков