Si toma toda la energía de algo, puede alcanzar el cero absoluto, la temperatura más fría. ¿Pero es posible alcanzar lo más alto?

Nada se pierde, todo solo se transforma.
- Michael Ende

Al final de cada semana, seleccionamos una de las preguntas enviadas para responderla. Esta semana, el honor es para el maestro de escuela Cameron Peters, quien pregunta:

estoy en ciencias de octavo grado y mis alumnos pasan por el concepto de temperatura. En particular, examinamos el concepto de cero absoluto, lo que significa y cómo se relaciona con el movimiento de los átomos. Mis alumnos quieren saber si existe la temperatura máxima alcanzable en la naturaleza, o si no hay un límite superior.

Comencemos con las posiciones que debe conocer el alumno de octavo grado, y aumentaremos gradualmente el grado.

Tome el experimento clásico: disolver colorante de alimentos en agua a diferentes temperaturas. Que vamos a ver Cuanto mayor sea la temperatura, más rápido se disolverá el tinte.

¿Por qué está pasando esto? Porque la temperatura de las moléculas está directamente relacionada con el movimiento cinético y la velocidad de las partículas. Esto significa que en agua más caliente, las moléculas individuales se mueven más rápido y que las partículas de tinte se dispersan sobre el volumen de agua caliente más rápido que el frío.

Si detuviéramos por completo todo este movimiento, y todo se congelaría (e incluso superaría la naturaleza de la física cuántica), esto le permitiría alcanzar el cero absoluto: la temperatura termodinámica más baja.

Pero ¿qué pasa con la dirección opuesta? Si calienta un sistema de partículas, simplemente se moverán más rápido. Pero, ¿existe un límite para la altura de la temperatura, y enfrentará una catástrofe que le impedirá elevarse? A ver

A temperaturas de miles de Kelvin, el calor transferido a las moléculas comenzará a destruir incluso los enlaces que las mantienen juntas, y si el calentamiento continúa, los electrones comenzarán a desprenderse de los átomos. Obtendrá un plasma ionizado, que consiste en electrones y núcleos atómicos, sin ningún átomo neutro.

Pero esto todavía es aceptable: las partículas individuales (electrones e iones con carga positiva) rebotarán entre sí perfectamente y obedecerán las leyes habituales de la física. Y aún puede elevar la temperatura y ver qué sucede después.

Y luego las partículas individuales comienzan a descomponerse.
• Aproximadamente 8 * 10 ⁹ (8 mil millones de K) de la energía de las colisiones de partículas, aparecerán pares de materia / antimateria (electrones y positrones) de forma espontánea.
• Alrededor de 2 * 10 ¹⁰ (20 mil millones de K) núcleos atómicos se dividirán en protones y neutrones.
• Aproximadamente 2 * 10 ¹² (2 billones de K) de protones y neutrones dejarán de existir, y sus partículas constituyentes, quarks y gluones volarán
• Alrededor de 2 * 10 ¹⁵ (2 billones de K) en grandes cantidades, todas las partículas y antipartículas conocidas comenzarán a aparecer .

Pero este no es un límite superior, en absoluto. Solo a temperaturas del orden de 2 * 10 ¹⁵(2 billones de K) algo interesante comenzará a suceder. Esta es precisamente la energía que se necesita para la aparición del bosón de Higgs y, por lo tanto, para la restauración de una de las simetrías más fundamentales del universo: una simetría que da a las partículas una masa de descanso.

En otras palabras, cuando calientas aún más el sistema, encontrarás que todas tus partículas han perdido masa y vuelan a la velocidad de la luz. Y en lugar de una mezcla de materia, antimateria y radiación, todo a su alrededor se comportará como radiación, ya sea en realidad materia, antimateria o ninguna de ellas.

Pero no hemos terminado. Puede aumentar aún más la temperatura del sistema, y aunque nada en el interior se moverá más rápido, se volverá más enérgico, al igual que las ondas de radio, las microondas, la luz visible y los rayos X son formas de luz (y se mueven a la velocidad de la luz), aunque todos tienen energía. diferente

Quizás algunas partículas aún desconocidas para nosotros, o aparecerán nuevas leyes (o simetrías). Podrías decidir que puedes pasar a energías infinitas.

Pero hay tres razones por las cuales esto no es posible.

1) El universo contiene una cantidad finita de energía. Tomemos todo lo que existe en el espacio-tiempo observable: toda materia, antimateria, radiación, neutrinos, materia oscura e incluso la energía del espacio mismo, y esto es mucho. Hay alrededor de 10 ⁸⁰partículas de materia normal, 10 ⁸⁹ neutrinos y antineutrinos, un poco más de fotones y toda la energía contenida en materia oscura y energía oscura, dispersos en un radio de 46 mil millones de años luz en el Universo observable que nos rodea.

Pero incluso si convierte todo esto en energía pura (a través de E = mc ² ), e incluso si usa toda esta energía para calentar el sistema, no tendrá una cantidad infinita de energía. Si pone todo esto en un sistema, habrá mucha energía, corresponderá a temperaturas del orden de 10 ¹⁰³ K, pero esto no es infinito. Entonces hay un límite superior. Pero algo lo detendrá incluso antes de llegar a este estado.

2) ¡Si viertes demasiada energía en un espacio confinado, crearás un agujero negro! Te imaginas los agujeros negros como objetos enormes, masivos y densos que pueden tragar grandes multitudes de planetas al igual que un monstruo de galletas traga una caja de galletas, torpemente, sin dificultad y sin dudarlo.

Pero si le das suficiente energía a una sola partícula cuántica, incluso si es una partícula sin masa que se mueve a la velocidad de la luz, ¡se convertirá en un agujero negro! Hay una escala según la cual algo, habiendo acumulado suficiente energía, no podrá llevar a cabo interacciones, como lo hacen las partículas ordinarias. Y si deja que la partícula alcance dicha energía, en el equivalente de 22 μg de acuerdo con E = mc ² , solo puede lograr 10 ¹⁹GeV antes de que el sistema se niegue a calentarse más. Aparecerán espontáneamente agujeros negros, que luego decaerán inmediatamente a un estado de baja energía a través de la radiación térmica. Entonces, en este nivel de energía, la energía de Planck, hay un límite superior para nuestro Universo, que corresponde a una temperatura de "solo" 10 ³² K.

Es mucho menor que el anterior, ya que no solo el Universo es finito, sino que los agujeros negros también se convierten en un factor limitante . Pero hay un factor más, y en primer lugar me preocuparía, elevar la temperatura a alturas no medidas.

3) A cierta temperatura alta, restablecerá el potencial que hizo que nuestro universo experimentara inflación. Antes del Big Bang, el Universo estaba en un estado de crecimiento exponencial, cuando el espacio mismo se expandía, como una pelota, a un ritmo exponencial. Todas las partículas, antipartículas y radiación en su interior se separaron rápidamente de otras piezas de materia y energía, y al final de la inflación comenzó el Big Bang.

Si alcanza temperaturas suficientes para llevar este campo a un estado inflacionario, presionará el botón de reinicio del Universo y reanudará la inflación, lo que conducirá al reinicio del Big Bang.

Si esto es demasiado difícil para usted, recuerde esto: si logra elevar la temperatura al nivel necesario para tal efecto, no podrá sobrevivir. Teóricamente, se estima en 10 ²⁸ - 10 ²⁹ KK, aunque hay una dispersión bastante grande, dependiendo de qué paso ocurra la inflación.

Por lo tanto, subir a temperaturas muy altas es bastante fácil. Y aunque los fenómenos físicos que le son familiares diferirán en detalles, puede elevar la temperatura más alto, pero solo hasta el punto en el que destruirá absolutamente todo lo que le es querido. Así que tengan cuidado, estudiantes del Sr. Peters, pero no tengan miedo del Gran Colisionador de Hadrones. Incluso en el acelerador más poderoso de la Tierra, logramos energías de al menos 100 mil millones de veces menos que las riesgosas.Envíame tus preguntas y sugerencias para los siguientes artículos.

Pregúntele a Ethan No. 92: ¿Hay un límite en la temperatura máxima?

Si toma toda la energía de algo, puede alcanzar el cero absoluto, la temperatura más fría. ¿Pero es posible alcanzar lo más alto?

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