Jika Anda mengambil semua energi dari sesuatu, Anda dapat mencapai nol absolut, suhu terdingin. Tetapi mungkinkah mencapai yang tertinggi?

Tidak ada yang hilang, semuanya hanya ditransformasikan.
- Michael Ende

Pada akhir setiap minggu, kami memilih satu dari pertanyaan yang dikirim untuk menjawabnya. Minggu ini, kehormatan diberikan kepada guru sekolah Cameron Peters, yang bertanya:

Saya di kelas 8 sains dan murid-murid saya melalui konsep suhu. Secara khusus, kami memeriksa konsep nol absolut, apa artinya dan bagaimana hubungannya dengan pergerakan atom. Murid-murid saya ingin tahu apakah suhu maksimum yang dapat dicapai di alam ada, atau jika tidak ada batas atas.

Mari kita mulai dengan posisi-posisi yang seharusnya diketahui siswa kelas delapan, dan kita akan secara bertahap meningkatkan derajatnya.

Ambil eksperimen klasik: melarutkan pewarna makanan dalam air pada suhu yang berbeda. Apa yang akan kita lihat? Semakin tinggi suhunya, semakin cepat pewarna akan larut.

Mengapa ini terjadi? Karena suhu molekul berhubungan langsung dengan gerakan kinetik - dan kecepatan - partikel. Ini berarti bahwa dalam air yang lebih panas, molekul individu bergerak lebih cepat, dan partikel-partikel pewarna menyebar lebih cepat daripada volume air panas.

Jika kita benar-benar menghentikan semua gerakan ini - dan semuanya akan membeku (dan bahkan mengatasi sifat fisika kuantum) - ini akan memungkinkan Anda untuk mencapai nol absolut: suhu termodinamika terendah.

Tapi bagaimana dengan arah yang berlawanan? Jika Anda memanaskan sistem partikel, mereka hanya akan bergerak lebih cepat. Tetapi adakah batasan ketinggian suhu, dan apakah Anda akan menghadapi bencana yang mencegah Anda naik di atas? Ayo lihat.

Pada suhu ribuan Kelvin, panas yang ditransfer ke molekul-molekul akan mulai menghancurkan bahkan ikatan yang menyatukan mereka, dan jika pemanasan berlanjut, elektron-elektron akan mulai terlepas dari atom-atom. Anda akan mendapatkan plasma terionisasi, yang terdiri dari elektron dan inti atom, tanpa atom netral.

Tapi ini masih dapat diterima: partikel individu - elektron dan ion bermuatan positif - akan terpental satu sama lain dengan sempurna dan mematuhi hukum fisika yang biasa. Dan Anda masih bisa menaikkan suhu dan melihat apa yang terjadi selanjutnya.

Dan kemudian partikel individu mulai membusuk.
• Sekitar 8 * 10 ⁹ (8 miliar K) dari energi tumbukan partikel, pasangan materi / antimateri - elektron dan positron - akan muncul secara spontan.
• Sekitar 2 * 10 ¹⁰ (20 miliar K) inti atom akan dipecah menjadi proton dan neutron.
• Sekitar 2 * 10 ¹² (2 triliun K) proton dan neutron akan lenyap, dan partikel penyusunnya, quark dan gluon akan terbang
• Sekitar 2 * 10 ¹⁵ (2 kuadriliun K) dalam jumlah besar, semua partikel dan antipartikel yang dikenal akan mulai muncul .

Tapi ini bukan batas atas, tidak sama sekali. Hanya pada suhu urutan 2 * 10 ¹⁵(2 kuadriliun K) sesuatu yang menarik akan mulai terjadi. Inilah tepatnya energi yang diperlukan untuk penampakan Higgs boson, dan, karenanya, untuk pemulihan salah satu simetri paling mendasar dari Semesta: simetri yang memberi partikel massa kedamaian.

Dengan kata lain, ketika Anda lebih menghangatkan sistem, Anda akan menemukan bahwa semua partikel Anda kehilangan massa dan terbang dengan kecepatan cahaya. Dan alih-alih campuran materi, antimateri dan radiasi, semua yang ada di sekitar akan berperilaku seperti radiasi, baik itu materi, antimateri, atau tidak ada satupun.

Tapi kita belum selesai. Anda selanjutnya dapat meningkatkan suhu sistem, dan meskipun tidak ada bagian dalam yang bergerak lebih cepat, itu akan menjadi lebih energik - seperti gelombang radio, gelombang mikro, cahaya tampak dan sinar-x adalah bentuk cahaya (dan bergerak dengan kecepatan cahaya), meskipun mereka semua memiliki energi berbeda.

Mungkin beberapa partikel masih belum kita ketahui, atau hukum baru (atau simetri) akan muncul. Anda dapat memutuskan bahwa Anda dapat beralih ke energi tanpa batas.

Tetapi ada tiga alasan mengapa ini tidak mungkin.

1) Alam semesta mengandung sejumlah energi yang terbatas. Mari kita ambil semua yang ada dalam ruang-waktu yang dapat diamati: semua materi, antimateri, radiasi, neutrino, materi gelap, dan bahkan energi ruang itu sendiri - dan ini banyak sekali. Ada sekitar 10 ⁸⁰partikel materi normal, 10 ⁸⁹ neutrino dan antineutrino, lebih banyak foton, dan semua energi yang terkandung dalam materi gelap dan energi gelap, tersebar dalam radius 46 miliar tahun cahaya di Alam Semesta yang dapat diamati di sekitar kita.

Tetapi bahkan jika Anda mengubah semua ini menjadi energi murni (melalui E = mc ² ), dan bahkan jika Anda menggunakan semua energi ini untuk menghangatkan sistem, Anda tidak akan memiliki jumlah energi yang tak terbatas. Jika Anda menempatkan semua ini dalam satu sistem, akan ada banyak energi, itu akan sesuai dengan suhu urutan 10 ¹⁰³ K, tetapi ini bukan tanpa batas. Jadi ada batas atas. Tetapi sesuatu akan menghentikan Anda bahkan lebih awal daripada Anda sampai pada keadaan ini.

2) Jika Anda menuangkan terlalu banyak energi ke ruang terbatas, Anda akan membuat lubang hitam! Anda membayangkan lubang hitam sebagai benda besar, besar, dan padat yang dapat menelan banyak planet seperti halnya monster kue menelan sekotak kue - dengan canggung, tanpa kesulitan dan tanpa ragu-ragu.

Tetapi jika Anda memberikan energi yang cukup untuk satu partikel kuantum - bahkan jika itu adalah partikel tanpa massa yang bergerak dengan kecepatan cahaya - itu akan berubah menjadi lubang hitam! Ada skala yang menurutnya sesuatu, yang telah mengakumulasi cukup energi, tidak akan dapat melakukan interaksi, seperti yang dilakukan partikel biasa. Dan jika Anda membiarkan partikel mencapai energi seperti itu, setara dengan 22 μg menurut E = mc ² , Anda hanya dapat mencapai 10 ¹⁹GeV sebelum sistem menolak untuk memanas lebih lanjut. Anda akan secara spontan muncul lubang hitam, yang kemudian segera membusuk menjadi energi rendah melalui radiasi termal. Jadi pada tingkat energi ini, energi Planck, ada batas atas untuk Alam Semesta kita, yang bersesuaian dengan suhu "hanya" 10 ³² K.

Itu jauh lebih sedikit daripada yang sebelumnya, karena tidak hanya Semesta terbatas, tetapi lubang hitam juga menjadi faktor pembatas . Tapi ada satu faktor lagi, dan saya akan khawatir tentang itu di tempat pertama, menaikkan suhu ke ketinggian yang tidak terukur.

3) Pada suhu tinggi tertentu, Anda akan mengembalikan potensi yang membuat alam semesta kita mengalami inflasi. Sebelum Big Bang, Semesta berada dalam kondisi pertumbuhan eksponensial, ketika ruang itu sendiri meluas, seperti bola, pada tingkat eksponensial. Semua partikel, antipartikel, dan radiasi di dalamnya dengan cepat dipisahkan dari kepingan materi dan energi lainnya, dan pada akhir inflasi, Big Bang dimulai.

Jika Anda mencapai suhu yang cukup untuk membawa bidang ini ke kondisi inflasi, Anda akan menekan tombol reset Universe dan membuat resume inflasi, yang akan mengarah pada dimulainya kembali Big Bang.

Jika ini terlalu sulit bagi Anda, ingat ini: jika Anda berhasil menaikkan suhu ke tingkat yang diperlukan untuk efek seperti itu, Anda tidak akan dapat bertahan hidup. Secara teoritis, diperkirakan 10 ²⁸ - 10 ²⁹ KK, meskipun ada sebaran agak besar, tergantung pada langkah inflasi mana yang terjadi.

Karena itu, naik ke suhu yang sangat tinggi cukup mudah. Dan meskipun fenomena fisik yang Anda kenal akan berbeda detailnya, Anda dapat menaikkan suhunya lebih tinggi, tetapi hanya sampai pada titik di mana Anda akan benar-benar menghancurkan segala sesuatu yang Anda sayangi. Jadi berhati-hatilah, murid-murid Mr. Peters, tapi jangan takut pada Large Hadron Collider. Bahkan di akselerator paling kuat di Bumi, kita mencapai energi paling sedikit 100 miliar kali lebih kecil daripada yang berisiko.Kirimkan saya pertanyaan dan saran Anda untuk artikel berikut.

Tanyakan Ethan No. 92: Apakah ada batasan pada suhu maksimum?

Jika Anda mengambil semua energi dari sesuatu, Anda dapat mencapai nol absolut, suhu terdingin. Tetapi mungkinkah mencapai yang tertinggi?

More articles: