Geekly articles weekly

اسأل إيثان رقم 92: هل هناك حد أقصى لدرجة الحرارة؟

إذا أخذت كل الطاقة من شيء ما ، يمكنك تحقيق صفر مطلق ، أبرد درجة حرارة. ولكن هل من الممكن تحقيق أعلى؟


لا شيء يضيع ، كل شيء يتغير فقط.
- مايكل إند

في نهاية كل أسبوع ، نختار واحدًا من الأسئلة المرسلة للإجابة عليه. هذا الأسبوع ، يتوجه الشرف إلى مدرس المدرسة كاميرون بيترز ، الذي يسأل:

أنا في علوم الصف الثامن وطلابي يقررون مفهوم درجة الحرارة. على وجه الخصوص ، درسنا مفهوم الصفر المطلق ، ومعناه وكيف يرتبط بحركة الذرات. يريد طلابي معرفة ما إذا كانت درجة الحرارة القصوى التي يمكن تحقيقها في الطبيعة موجودة ، أو إذا لم يكن هناك حد أعلى.

لنبدأ بهذه المواقف التي يجب أن يعرفها الصف الثامن ، وسنزيد الدرجة تدريجياً.



خذ التجربة الكلاسيكية: تذويب ألوان الطعام في الماء عند درجات حرارة مختلفة. ماذا سنرى؟ كلما ارتفعت درجة الحرارة ، زادت سرعة ذوبان الصبغة.

لماذا يحدث هذا؟ لأن درجة حرارة الجزيئات ترتبط مباشرة بالحركة الحركية - وسرعة - الجسيمات. وهذا يعني أنه في الماء الحار ، تتحرك الجزيئات الفردية بشكل أسرع ، وأن جزيئات الصبغ تنتشر على حجم الماء الساخن بشكل أسرع من البرد.



إذا أوقفنا تمامًا كل هذه الحركة - وكل شيء سوف يتجمد (وحتى تغلب على طبيعة فيزياء الكم) - فهذا سيسمح لك بتحقيق صفر مطلق: أدنى درجة حرارة ديناميكية حرارية.

ولكن ماذا عن الاتجاه المعاكس؟ إذا قمت بتسخين نظام من الجسيمات ، فسوف تتحرك ببساطة أسرع. ولكن هل هناك حد لارتفاع درجة الحرارة ، وهل ستواجه كارثة تمنعك من الارتفاع أعلاه؟ دعنا نرى.



عند درجات حرارة آلاف الكلفن ، ستبدأ الحرارة المنقولة إلى الجزيئات في تدمير حتى الروابط التي تربطها ببعضها البعض ، وإذا استمر التسخين ، ستبدأ الإلكترونات في الانفصال عن الذرات. ستحصل على بلازما مؤينة ، تتكون من إلكترونات ونوى ذرية ، بدون أي ذرات محايدة.

لكن هذا لا يزال مقبولًا: الجسيمات الفردية - الإلكترونات والأيونات الموجبة الشحنة - سترتد من بعضها البعض تمامًا وتطيع قوانين الفيزياء المعتادة. ولا يزال بإمكانك رفع درجة الحرارة ومعرفة ما سيحدث بعد ذلك.



ثم تبدأ الجسيمات الفردية بالتحلل.
• حوالي 8 * 10 9 (8 مليار كلفن) من طاقة تصادم الجسيمات ، ستظهر أزواج المادة / المادة المضادة - الإلكترونات والبوزيترونات - بشكل تلقائي.
• سيتم تقسيم حوالي 2 * 10 10 (20 مليار كلفن) من النوى الذرية إلى بروتونات ونيوترونات.
• حوالي 2 * 10 12 (2 تريليون K) من البروتونات والنيوترونات ستزول من الوجود ، وستتطاير جسيماتها المكونة ، الكواركات والغلونات
• حوالي 2 * 10 15 (2 كوادريليون K) بكميات كبيرة ، ستبدأ جميع الجسيمات المعروفة والجسيمات المضادة في الظهور .



لكن هذا ليس الحد الأعلى ، على الإطلاق. فقط في درجات حرارة من 2 * 10 15(2 كوادريليون K) سيحدث شيء مثير للاهتمام. هذه بالتحديد الطاقة اللازمة لظهور بوزون هيجز ، وبالتالي ، لاستعادة واحدة من أهم التماثلات في الكون: تناظر يعطي الجسيمات كتلة من الراحة.

وبعبارة أخرى ، عندما تقوم بتسخين النظام أكثر ، ستجد أن جميع جزيئاتك قد فقدت كتلتها وتطير بسرعة الضوء. وبدلاً من مزيج من المادة والمادة المضادة والإشعاع ، سيتصرف كل شيء حوله مثل الإشعاع ، سواء كان في الواقع مادة أو مادة مضادة أو لا شيء منها.



لكننا لم ننتهي. يمكنك أيضًا زيادة درجة حرارة النظام ، وعلى الرغم من أنه لن يتحرك أي شيء في الداخل بشكل أسرع ، إلا أنه سيصبح أكثر نشاطًا - تمامًا مثل الموجات اللاسلكية والموجات الدقيقة والضوء المرئي والأشعة السينية هي أشكال من الضوء (وتتحرك بسرعة الضوء) ، على الرغم من أن جميعهم لديهم طاقة مختلفة.

ربما بعض الجسيمات لا تزال غير معروفة لنا ، أو ستظهر قوانين (أو تناظر) جديدة. يمكنك أن تقرر أنه يمكنك الانتقال إلى طاقات لا نهائية.

ولكن هناك ثلاثة أسباب لعدم إمكانية ذلك.



1) يحتوي الكون على كمية محدودة من الطاقة. لنأخذ كل ما هو موجود في الزمكان الذي يمكن ملاحظته: كل المادة ، المادة المضادة ، الإشعاع ، النيوترينو ، المادة المظلمة ، وحتى طاقة الفضاء نفسها - وهذا كثير. هناك حوالي 10 80جزيئات المادة الطبيعية ، 10 89 نيوترينو ومضادات نيوترينوات ، المزيد من الفوتونات ، وكل الطاقة الموجودة في المادة المظلمة والطاقة المظلمة ، منتشرة في دائرة نصف قطرها 46 مليار سنة ضوئية في الكون المرئي من حولنا.

ولكن حتى إذا حولت كل هذا إلى طاقة نقية (من خلال E = mc 2 ) ، وحتى إذا كنت تستخدم كل هذه الطاقة لتسخين النظام ، فلن يكون لديك كمية لا حصر لها من الطاقة. إذا وضعت كل هذا في نظام واحد ، سيكون هناك الكثير من الطاقة ، وستتوافق مع درجات حرارة من 10 103 كلفن ، لكن هذا ليس لانهائي. لذا هناك حد أعلى. لكن شيئًا ما سيوقفك حتى قبل أن تصل إلى هذه الحالة.



2) إذا قمت بصب الكثير من الطاقة في مساحة ضيقة ، فسوف تقوم بإنشاء ثقب أسود! تتخيل الثقوب السوداء ككائنات ضخمة وضخمة وكثيفة يمكنها ابتلاع حشود ضخمة من الكواكب تمامًا مثل وحش الكعك الذي يبتلع صندوقًا من ملفات تعريف الارتباط - بشكل محرج وبدون صعوبة ودون تردد.



ولكن إذا أعطيت طاقة كافية لجسيم كمي واحد - حتى لو كان جسيم بلا كتلة يتحرك بسرعة الضوء - فسوف يتحول إلى ثقب أسود! هناك مقياس بموجبه لن يتمكن شيء ما ، بعد تراكم طاقة كافية ، من إجراء تفاعلات ، كما تفعل الجسيمات العادية. وإذا سمحت للجسيم بتحقيق هذه الطاقة ، أي ما يعادل 22 ميكروغرام وفقًا لـ E = mc 2 ، يمكنك تحقيق 10 19 فقطGeV قبل أن يرفض النظام تسخين أكثر. سوف تظهر تلقائيًا ثقوبًا سوداء ، والتي تتحلل فورًا إلى حالة منخفضة الطاقة من خلال الإشعاع الحراري. إذن ، على مستوى الطاقة هذا ، طاقة بلانك ، هناك حد أعلى لكوننا ، والذي يتوافق مع درجة حرارة "فقط" 10 32 كلفن

، وهو أقل بكثير من السابق ، نظرًا لأن الكون ليس محدودًا فحسب ، بل تصبح الثقوب السوداء أيضًا عاملاً محددًا . ولكن هناك عامل آخر ، وسأقلق بشأنه في المقام الأول ، مما يرفع درجة الحرارة إلى ارتفاعات غير قابلة للقياس.



3) عند درجة حرارة عالية معينة ، ستستعيد الإمكانات التي جعلت الكون يعاني من التضخم. قبل الانفجار العظيم ، كان الكون في حالة نمو أسي ، عندما توسع الفضاء نفسه ، مثل الكرة ، بمعدل أسي. تم فصل جميع الجسيمات والجسيمات المضادة والإشعاع داخلها بسرعة عن قطع أخرى من المادة والطاقة ، وفي نهاية التضخم بدأ الانفجار الكبير.

إذا وصلت إلى درجات حرارة كافية لإدخال هذا الحقل إلى حالة تضخمية ، فسوف تضغط على زر إعادة تعيين الكون وتعيد استئناف التضخم ، مما سيؤدي إلى إعادة بدء الانفجار الكبير.



إذا كان هذا صعبًا بالنسبة لك ، فتذكر هذا: إذا تمكنت من رفع درجة الحرارة إلى المستوى الضروري لمثل هذا التأثير ، فلن تتمكن من البقاء على قيد الحياة. من الناحية النظرية ، تقدر بـ 10 28 - 10 29 KK ، على الرغم من وجود مبعثر كبير إلى حد ما ، اعتمادًا على الخطوة التي يحدث فيها التضخم.

لذلك ، فإن الارتفاع إلى درجات حرارة عالية جدًا أمر سهل للغاية. وعلى الرغم من أن الظواهر الفيزيائية المألوفة لك ستختلف في التفاصيل ، يمكنك رفع درجة الحرارة أعلى ، ولكن فقط إلى النقطة التي ستدمر بعدها كل شيء عزيز عليك. لذا كن حذرا ، طلاب السيد بيترز ، ولكن لا تخف من مصادم الهادرون الكبير. حتى في أقوى مسرع للأرض ، نحقق طاقات أقل بـ 100 مليار مرة على الأقل من تلك الخطرة.أرسل لي أسئلتك واقتراحاتك للمقالات التالية.

Source: https://habr.com/ru/post/ar397511/

More articles:


All Articles