Si vous prenez toute l'énergie de quelque chose, vous pouvez atteindre le zéro absolu, la température la plus froide. Mais est-il possible d'atteindre le plus haut?

Rien ne se perd, tout se transforme.
- Michael Ende

À la fin de chaque semaine, nous en sélectionnons une parmi les questions envoyées pour y répondre. Cette semaine, l'honneur revient à l'enseignant Cameron Peters, qui demande:

Je suis en 8e année et mes élèves passent par le concept de la température. En particulier, nous avons examiné le concept de zéro absolu, ce qu'il signifie et comment il se rapporte au mouvement des atomes. Mes élèves veulent savoir si la température maximale atteignable dans la nature existe ou s'il n'y a pas de limite supérieure.

Commençons par les positions qui devraient être connues de la huitième niveleuse, et nous augmenterons progressivement le degré.

Prenez l'expérience classique: dissoudre le colorant alimentaire dans l'eau à différentes températures. Que verrons-nous? Plus la température est élevée, plus le colorant se dissout rapidement.

Pourquoi cela se produit-il? Parce que la température des molécules est directement liée au mouvement cinétique - et à la vitesse - des particules. Cela signifie que dans l'eau plus chaude, les molécules individuelles se déplacent plus rapidement et que les particules de colorant se dispersent sur le volume d'eau chaude plus rapidement que le froid.

Si nous arrêtions complètement tout ce mouvement - et tout gèlerait (et même dépasserait la nature de la physique quantique) - cela vous permettrait d'atteindre le zéro absolu: la température thermodynamique la plus basse.

Mais qu'en est-il de la direction opposée? Si vous réchauffez un système de particules, elles se déplaceront simplement plus rapidement. Mais y a-t-il une limite à la hauteur de la température, et ferez-vous face à une catastrophe qui vous empêche de monter au-dessus? Voyons voir.

À des températures de milliers de Kelvin, la chaleur transférée aux molécules commencera à détruire même les liaisons qui les maintiennent ensemble, et si le chauffage continue, les électrons commenceront à se détacher des atomes. Vous obtiendrez un plasma ionisé, composé d'électrons et de noyaux atomiques, sans atomes neutres.

Mais cela est toujours acceptable: les particules individuelles - électrons et ions chargés positivement - se rebelleront parfaitement les unes les autres et obéiront aux lois habituelles de la physique. Et vous pouvez toujours augmenter la température et voir ce qui se passe ensuite.

Et puis les particules individuelles commencent à se désintégrer.
• Environ 8 * 10 ⁹ (8 milliards de K) de l'énergie des collisions de particules, des paires matière / antimatière - électrons et positrons - apparaîtront spontanément.
• Environ 2 * 10 ¹⁰ (20 milliards de K) noyaux atomiques seront divisés en protons et neutrons.
• Environ 2 * 10 ¹² (2 billions de K) protons et neutrons cesseront d'exister, et leurs particules constituantes, quarks et gluons voleront
• Environ 2 * 10 ¹⁵ (2 quadrillions K) en grande quantité, toutes les particules et antiparticules connues commenceront à apparaître .

Mais ce n'est pas une limite supérieure, pas du tout. Juste à des températures de l'ordre de 2 * 10 ¹⁵(2 quadrillions K) quelque chose d'intéressant va commencer à se produire. C'est précisément l'énergie nécessaire à l'apparition du boson de Higgs, et donc à la restauration d'une des symétries les plus fondamentales de l'Univers: une symétrie qui donne aux particules une masse de paix.

En d'autres termes, lorsque vous réchaufferez encore plus le système, vous constaterez que toutes vos particules ont perdu de la masse et volent à la vitesse de la lumière. Et au lieu d'un mélange de matière, d'antimatière et de rayonnement, tout autour se comportera comme un rayonnement, qu'il s'agisse en fait de matière, d'antimatière ou d'aucune d'entre elles.

Mais nous n'avons pas fini. Vous pouvez augmenter davantage la température du système, et bien que rien à l'intérieur ne se déplace plus rapidement, il deviendra plus énergique - tout comme les ondes radio, les micro-ondes, la lumière visible et les rayons X sont des formes de lumière (et se déplacent à la vitesse de la lumière), bien qu'ils aient tous de l'énergie différent.

Peut-être que certaines particules nous sont encore inconnues, ou de nouvelles lois (ou symétries) apparaîtront. Vous pourriez décider de passer à des énergies infinies.

Mais il y a trois raisons pour lesquelles cela n'est pas possible.

1) L'univers contient une quantité finie d'énergie. Prenons tout ce qui existe dans l'espace-temps observable: toute la matière, l'antimatière, le rayonnement, les neutrinos, la matière noire et même l'énergie de l'espace lui-même - et c'est beaucoup. Il y a environ 10 ⁸⁰des particules de matière normale, 10 ⁸⁹ neutrinos et antineutrinos, un peu plus de photons, et toute l'énergie contenue dans la matière noire et l'énergie noire, dispersées dans un rayon de 46 milliards d'années-lumière dans l'Univers observable qui nous entoure.

Mais même si vous transformez tout cela en énergie pure (par E = mc ² ), et même si vous utilisez toute cette énergie pour réchauffer le système, vous n'aurez pas une quantité infinie d'énergie. Si vous mettez tout cela dans un seul système, il y aura beaucoup d'énergie, cela correspondra à des températures de l'ordre de 10 ¹⁰³ K, mais ce n'est pas l'infini. Il y a donc une limite supérieure. Mais quelque chose vous arrêtera encore plus tôt que vous n'arriverez à cet état.

2) Si vous versez trop d'énergie dans un espace confiné, vous créerez un trou noir! Vous imaginez les trous noirs comme des objets énormes, massifs et denses qui peuvent avaler d'énormes foules de planètes tout comme un cookie monstrueux avale une boîte de cookies - maladroitement, sans difficulté et sans pensée.

Mais si vous donnez suffisamment d'énergie à une seule particule quantique - même s'il s'agit d'une particule sans masse se déplaçant à la vitesse de la lumière - elle se transformera en un trou noir! Il existe une échelle selon laquelle quelque chose, ayant accumulé suffisamment d'énergie, ne pourra pas effectuer d'interactions, comme le font les particules ordinaires. Et si vous laissez la particule atteindre une telle énergie, dans l'équivalent de 22 μg selon E = mc ² , vous ne pouvez atteindre que 10 ¹⁹GeV avant que le système refuse de chauffer davantage. Vous verrez apparaître spontanément des trous noirs, qui se décomposent ensuite immédiatement en un état de faible énergie par rayonnement thermique. Donc à ce niveau d'énergie, l'énergie de Planck, il y a une limite supérieure pour notre Univers, ce qui correspond à une température de «seulement» 10 ³² K.

Elle est bien inférieure à la précédente, car non seulement l'Univers est fini, mais les trous noirs deviennent également un facteur limitant . Mais il y a un autre facteur, et je m'inquiéterais à ce sujet en premier lieu, en élevant la température à des hauteurs non mesurées.

3) À une certaine température élevée, vous restaurerez le potentiel qui a fait que notre univers a connu l'inflation. Avant le Big Bang, l'Univers était dans un état de croissance exponentielle, lorsque l'espace lui-même s'est agrandi, comme une balle, à un rythme exponentiel. Toutes les particules, les antiparticules et les radiations qui s'y trouvent ont été rapidement séparées des autres morceaux de matière et d'énergie, et à la fin de l'inflation, le Big Bang a commencé.

Si vous atteignez des températures suffisantes pour amener ce champ dans un état inflationniste, vous appuyez sur le bouton de réinitialisation de l'Univers et faites reprendre l'inflation, ce qui entraînera le redémarrage du Big Bang.

Si c'est trop difficile pour vous, rappelez-vous ceci: si vous parvenez à élever la température au niveau nécessaire pour un tel effet, vous ne pourrez pas survivre. Théoriquement, il est estimé à 10 ²⁸ - 10 ²⁹ KK, bien qu'il y ait une dispersion assez importante, en fonction de l'étape de l'inflation.

Par conséquent, la montée à des températures très élevées est assez facile. Et bien que les phénomènes physiques qui vous sont familiers diffèrent dans les détails, vous pouvez augmenter la température plus haut, mais seulement au point où vous détruirez absolument tout ce qui vous est cher. Faites donc attention, étudiants de M. Peters, mais n'ayez pas peur du Grand collisionneur de hadrons. Même dans l'accélérateur le plus puissant de la Terre, nous atteignons des énergies au moins 100 milliards de fois inférieures à celles à risque.Envoyez-moi vos questions et suggestions pour les articles suivants.

Demandez à Ethan n ° 92: Y a-t-il une limite à la température maximale?

Si vous prenez toute l'énergie de quelque chose, vous pouvez atteindre le zéro absolu, la température la plus froide. Mais est-il possible d'atteindre le plus haut?

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