Wenn Sie die gesamte Energie von etwas nehmen, können Sie den absoluten Nullpunkt, die kälteste Temperatur, erreichen. Aber ist es möglich, das Höchste zu erreichen?

Nichts geht verloren, alles wird nur verwandelt.
- Michael Ende

Am Ende jeder Woche wählen wir eine der Fragen aus, die zur Beantwortung gesendet wurden. Diese Woche geht die Ehre an den Schullehrer Cameron Peters, der fragt:

Ich bin in der 8. Klasse der Naturwissenschaften und meine Schüler durchlaufen das Konzept der Temperatur. Insbesondere haben wir das Konzept des absoluten Nullpunkts untersucht, was es bedeutet und wie es sich auf die Bewegung von Atomen bezieht. Meine Schüler möchten wissen, ob die in der Natur maximal erreichbare Temperatur vorhanden ist oder ob es keine Obergrenze gibt.

Beginnen wir mit den Positionen, die dem Achtklässler bekannt sein sollten, und wir werden den Abschluss schrittweise erhöhen.

Nehmen Sie das klassische Experiment: Lebensmittelfarbe in Wasser bei verschiedenen Temperaturen auflösen. Was werden wir sehen? Je höher die Temperatur, desto schneller löst sich der Farbstoff auf.

Warum passiert das? Weil die Temperatur der Moleküle in direktem Zusammenhang mit der kinetischen Bewegung - und Geschwindigkeit - der Partikel steht. Dies bedeutet, dass sich in heißerem Wasser einzelne Moleküle schneller bewegen und dass Farbstoffpartikel schneller als kalt über das Volumen des heißen Wassers streuen.

Wenn wir all diese Bewegungen vollständig stoppen würden - und alles einfrieren würde (und sogar die Natur der Quantenphysik überwinden würde) - könnten Sie den absoluten Nullpunkt erreichen: die niedrigste thermodynamische Temperatur.

Aber was ist mit der entgegengesetzten Richtung? Wenn Sie ein Partikelsystem aufwärmen, bewegen sich diese einfach schneller. Aber gibt es eine Grenze für die Höhe der Temperatur, und werden Sie vor einer Katastrophe stehen, die Sie daran hindert, sich zu erheben? Mal sehen.

Bei Temperaturen von Tausenden von Kelvin beginnt die auf die Moleküle übertragene Wärme sogar die Bindungen zu zerstören, die sie zusammenhalten, und wenn die Erwärmung fortgesetzt wird, beginnen sich die Elektronen von den Atomen zu lösen. Sie erhalten ein ionisiertes Plasma, bestehend aus Elektronen und Atomkernen, ohne neutrale Atome.

Dies ist jedoch weiterhin akzeptabel: Einzelne Teilchen - Elektronen und positiv geladene Ionen - prallen perfekt voneinander ab und folgen den üblichen Gesetzen der Physik. Und Sie können immer noch die Temperatur erhöhen und sehen, was als nächstes passiert.

Und dann beginnen einzelne Teilchen zu zerfallen.
• Ungefähr 8 * 10 ⁹ (8 Milliarden K) aus der Energie von Kollisionen von Partikeln, Materie / Antimaterie-Paaren - Elektronen und Positronen - treten spontan auf.
• Ungefähr 2 * 10 ¹⁰ (20 Milliarden K) Atomkerne werden in Protonen und Neutronen aufgeteilt.
• Ungefähr 2 * 10 ¹² (2 Billionen K) Protonen und Neutronen existieren nicht mehr und ihre Partikel, Quarks und Gluonen fliegen.
• Ungefähr 2 * 10 ¹⁵ (2 Billiarden K) in großen Mengen erscheinen alle bekannten Partikel und Antiteilchen .

Dies ist jedoch überhaupt keine Obergrenze. Nur bei Temperaturen in der Größenordnung von 2 * 10 ¹⁵(2 Billiarden K) Es wird etwas Interessantes passieren. Dies ist genau die Energie, die für das Erscheinen des Higgs-Bosons und damit für die Wiederherstellung einer der grundlegendsten Symmetrien des Universums benötigt wird: eine Symmetrie, die den Partikeln eine Masse an Ruhe verleiht.

Mit anderen Worten, wenn Sie das System noch mehr aufwärmen, werden Sie feststellen, dass alle Ihre Partikel Masse verloren haben und mit Lichtgeschwindigkeit fliegen. Und anstatt einer Mischung aus Materie, Antimaterie und Strahlung verhält sich alles um ihn herum wie Strahlung, egal ob es sich tatsächlich um Materie, Antimaterie oder keine von ihnen handelt.

Aber wir sind noch nicht fertig. Sie können die Temperatur des Systems weiter erhöhen, und obwohl sich nichts im Inneren schneller bewegt, wird es energetischer - genau wie Radiowellen, Mikrowellen, sichtbares Licht und Röntgenstrahlen Lichtformen sind (und sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen), obwohl sie alle Energie haben anders.

Vielleicht erscheinen einige uns noch unbekannte Teilchen oder neue Gesetze (oder Symmetrien). Sie könnten entscheiden, dass Sie zu unendlichen Energien übergehen können.

Es gibt jedoch drei Gründe, warum dies nicht möglich ist.

1) Das Universum enthält eine begrenzte Menge an Energie. Nehmen wir alles, was in der beobachtbaren Raumzeit existiert: alle Materie, Antimaterie, Strahlung, Neutrinos, dunkle Materie und sogar die Energie des Raums selbst - und das ist viel. Es gibt ungefähr 10 ⁸⁰Teilchen normaler Materie, 10 ⁸⁹ Neutrinos und Antineutrinos, etwas mehr Photonen und die gesamte in dunkler Materie und dunkler Energie enthaltene Energie, die in einem Radius von 46 Milliarden Lichtjahren im beobachtbaren Universum um uns herum verstreut sind.

Aber selbst wenn Sie all dies in reine Energie umwandeln (durch E = mc ² ) und selbst wenn Sie all diese Energie zum Aufwärmen des Systems verwenden, werden Sie nicht unendlich viel Energie haben. Wenn Sie all dies in einem System zusammenfassen, wird viel Energie vorhanden sein, was Temperaturen in der Größenordnung von 10 ¹⁰³ K entspricht, aber dies ist nicht unendlich. Es gibt also eine Obergrenze. Aber etwas wird dich noch früher aufhalten, als du in diesen Zustand kommst.

2) Wenn Sie zu viel Energie auf engstem Raum einsetzen, entsteht ein Schwarzes Loch! Sie stellen sich Schwarze Löcher als riesige, massive und dichte Objekte vor, die riesige Mengen von Planeten verschlucken können, genau wie ein Keksmonster eine Schachtel Kekse verschluckt - ungeschickt, ohne Schwierigkeiten und ohne zu zögern.

Wenn Sie jedoch einem einzelnen Quantenteilchen genügend Energie geben - selbst wenn es sich um ein masseloses Teilchen handelt, das sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegt - wird es zu einem Schwarzen Loch! Es gibt eine Skala, nach der etwas, das genügend Energie angesammelt hat, keine Wechselwirkungen ausführen kann, wie es gewöhnliche Partikel tun. Und wenn Sie das Teilchen eine solche Energie erreichen lassen, im Äquivalent von 22 μg nach E = mc ² , können Sie nur 10 ^{19 erreichen}GeV, bevor sich das System weigert, sich weiter aufzuheizen. Sie werden spontan schwarze Löcher sehen, die dann durch Wärmestrahlung sofort in einen Zustand niedriger Energie zerfallen. Auf diesem Energieniveau, der Planck-Energie, gibt es eine Obergrenze für unser Universum, die einer Temperatur von „nur“ 10 ³² K entspricht.

Sie ist viel geringer als die vorherige, da nicht nur das Universum endlich ist, sondern auch Schwarze Löcher zu einem begrenzenden Faktor werden . Aber es gibt noch einen weiteren Faktor, und ich würde mir in erster Linie Sorgen machen und die Temperatur auf ungemessene Höhen erhöhen.

3) Bei einer bestimmten hohen Temperatur stellen Sie das Potenzial wieder her, durch das unser Universum Inflation erfahren hat. Vor dem Urknall befand sich das Universum in einem Zustand exponentiellen Wachstums, als sich der Raum selbst wie eine Kugel exponentiell ausdehnte. Alle Partikel, Antiteilchen und Strahlung in ihm wurden schnell von anderen Materie- und Energiestücken getrennt, und am Ende der Inflation begann der Urknall.

Wenn Sie Temperaturen erreichen, die ausreichen, um dieses Feld in einen inflationären Zustand zu versetzen, drücken Sie die Reset-Taste des Universums und lassen die Inflation wieder aufgenommen werden, was zum Neustart des Urknalls führt.

Wenn Ihnen dies zu schwer fällt, denken Sie daran: Wenn Sie es schaffen, die Temperatur auf das für einen solchen Effekt erforderliche Niveau zu erhöhen, können Sie nicht überleben. Theoretisch wird sie auf 10 ²⁸ - 10 ²⁹ KK geschätzt , obwohl es eine ziemlich große Streuung gibt, abhängig davon, welche Schrittinflation auftritt.

Daher ist das Aufsteigen auf sehr hohe Temperaturen recht einfach. Und obwohl sich die Ihnen bekannten physikalischen Phänomene in Details unterscheiden, können Sie die Temperatur erhöhen, aber nur bis zu dem Punkt, an dem Sie absolut alles zerstören, was Ihnen lieb ist. Seien Sie also vorsichtig, Mr. Peters 'Schüler, aber haben Sie keine Angst vor dem Large Hadron Collider. Selbst im stärksten Beschleuniger der Erde erreichen wir Energien, die mindestens 100 Milliarden Mal geringer sind als die riskanten.Senden Sie mir Ihre Fragen und Vorschläge zu den folgenden Artikeln.

Fragen Sie Ethan Nr. 92: Gibt es eine Grenze für die maximale Temperatur?

Wenn Sie die gesamte Energie von etwas nehmen, können Sie den absoluten Nullpunkt, die kälteste Temperatur, erreichen. Aber ist es möglich, das Höchste zu erreichen?

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