Pergunte ao Ethan No. 92: Existe um limite para a temperatura máxima?
Se você extrair toda a energia de alguma coisa, poderá obter o zero absoluto, a temperatura mais baixa. Mas é possível alcançar o mais alto?
Nada se perde, tudo se transforma.
- Michael Ende
No final de cada semana, selecionamos uma das perguntas enviadas para respondê-la. Nesta semana, a honra é dada ao professor Cameron Peters, que pergunta:eu estou no ensino médio e meus alunos passam pelo conceito de temperatura. Em particular, examinamos o conceito de zero absoluto, o que significa e como ele se relaciona com o movimento dos átomos. Meus alunos querem saber se a temperatura máxima atingível na natureza existe ou se não há limite superior.Vamos começar com as posições que devem ser conhecidas pelo aluno da oitava série e aumentaremos gradualmente o grau.Faça o experimento clássico: dissolvendo corante alimentar em água a diferentes temperaturas. O que vamos ver? Quanto mais alta a temperatura, mais rápido o corante se dissolverá.Por que isso está acontecendo? Porque a temperatura das moléculas está diretamente relacionada ao movimento cinético - e velocidade - das partículas. Isso significa que, na água mais quente, as moléculas individuais se movem mais rapidamente e que as partículas de corante se espalham pelo volume de água quente mais rapidamente que o frio.
Se parássemos completamente todo esse movimento - e tudo congelasse (e até superasse a natureza da física quântica) - isso permitiria atingir o zero absoluto: a temperatura termodinâmica mais baixa.Mas e a direção oposta? Se você aquecer um sistema de partículas, elas simplesmente se moverão mais rapidamente. Mas existe um limite para a altura da temperatura e você enfrentará uma catástrofe que o impede de se elevar acima? Vamos ver
A temperaturas de milhares de Kelvin, o calor transferido para as moléculas começará a destruir até as ligações que as mantêm unidas e, se o aquecimento continuar, os elétrons começarão a se desprender dos átomos. Você obterá um plasma ionizado, composto de elétrons e núcleos atômicos, sem átomos neutros.Mas isso ainda é aceitável: partículas individuais - elétrons e íons carregados positivamente - se refletem perfeitamente e obedecem às leis usuais da física. E você ainda pode aumentar a temperatura e ver o que acontece a seguir.
E então as partículas individuais começam a decair.• Cerca de 8 x 10 9 (8 bilhões de K) da energia de colisões de partículas, pares matéria / antimatéria - elétrons e pósitrons - aparecerão espontaneamente.• cerca de 2 × 10 10 (20 bilhões K) núcleos atômicos será dividido em prótons e nêutrons.• Cerca de 2 x 10 12 (2 trilhões de K) de prótons e nêutrons deixarão de existir, e suas partículas constituintes, quarks e glúons voarão.• Cerca de 2 x 10 15 (2 quadrilhões de K) em grandes quantidades, todas as partículas e antipartículas conhecidas começarão a aparecer .
Mas este não é um limite superior, de forma alguma. Apenas a temperaturas da ordem de 2 * 10 15(2 quatrilhões K) algo interessante começará a acontecer. Essa é precisamente a energia necessária para o aparecimento do bóson de Higgs e, portanto, para a restauração de uma das simetrias mais fundamentais do Universo: uma simetria que dá às partículas uma massa de descanso.Em outras palavras, quando você aquece o sistema ainda mais, verá que todas as suas partículas perderam massa e voam à velocidade da luz. E, em vez de uma mistura de matéria, antimatéria e radiação, tudo ao redor se comportará como radiação, seja na verdade matéria, antimatéria ou nenhuma delas.
Mas nós não terminamos. Você pode aumentar ainda mais a temperatura do sistema e, embora nada no interior se mova mais rápido, ele se tornará mais energético - assim como ondas de rádio, microondas, luz visível e raios-x são formas de luz (e se movem na velocidade da luz), embora todos tenham energia diferente.Talvez algumas partículas ainda desconhecidas para nós, ou novas leis (ou simetrias) apareçam. Você pode decidir que pode passar para energias infinitas.Mas há três razões pelas quais isso não é possível.
1) O universo contém uma quantidade finita de energia. Vamos pegar tudo o que existe no espaço-tempo observável: toda matéria, antimatéria, radiação, neutrinos, matéria escura e até a energia do próprio espaço - e isso é muito. Existem cerca de 10 80partículas de matéria normal, 10 89 neutrinos e antineutrinos, um pouco mais de fótons e toda a energia contida na matéria escura e na energia escura, espalhadas em um raio de 46 bilhões de anos-luz no Universo observável ao nosso redor.Mas mesmo se você transformar tudo isso em energia pura (através de E = mc 2 ), e mesmo se você usar toda essa energia para aquecer o sistema, não terá uma quantidade infinita de energia. Se você colocar tudo isso em um sistema, haverá muita energia, corresponderá a temperaturas da ordem de 10 103 K, mas isso não é infinito. Portanto, há um limite superior. Mas algo o impedirá ainda mais cedo do que você chega a esse estado.
2) Se você derramar muita energia em um espaço confinado, criará um buraco negro! Você imagina buracos negros como objetos enormes, maciços e densos que podem engolir enormes multidões de planetas, como um monstro de biscoito engole uma caixa de biscoitos - sem jeito, sem dificuldade e sem pensar.
Mas se você der energia suficiente a uma única partícula quântica - mesmo que seja uma partícula sem massa que se move à velocidade da luz - ela se tornará um buraco negro! Existe uma escala segundo a qual algo, tendo acumulado energia suficiente, não será capaz de realizar interações, como as partículas comuns. E se você deixar que a partícula atinja essa energia, no equivalente a 22 μg de acordo com E = mc 2 , você poderá obter apenas 10 19GeV antes que o sistema se recuse a esquentar ainda mais. Você aparecerá espontaneamente buracos negros, que imediatamente decaem para um estado de baixa energia por radiação térmica. Portanto, neste nível de energia, energia de Planck, existe um limite superior para o nosso Universo, que corresponde a uma temperatura de "apenas" 10 32 K.É muito menor que o anterior, pois não apenas o Universo é finito, mas os buracos negros também se tornam um fator limitante. . Mas há mais um fator, e eu me preocuparia com isso em primeiro lugar, elevando a temperatura a alturas não medidas.
3) A uma certa temperatura alta, você restaurará o potencial que fez nosso universo sofrer inflação. Antes do Big Bang, o Universo estava em um estado de crescimento exponencial, quando o próprio espaço se expandia, como uma bola, a uma taxa exponencial. Todas as partículas, antipartículas e radiação dentro dele foram rapidamente separadas de outras peças de matéria e energia, e no final da inflação o Big Bang começou.Se você atingir temperaturas suficientes para colocar esse campo em um estado inflacionário, pressione o botão de reset do Universo e reinicie a inflação, o que levará ao reinício do Big Bang.
Se isso é muito difícil para você, lembre-se do seguinte: se você conseguir elevar a temperatura ao nível necessário para esse efeito, não conseguirá sobreviver. Teoricamente, é estimado em 10 28 - 10 29 KK, embora exista uma dispersão bastante grande, dependendo de qual etapa da inflação ocorrer.Portanto, subir para temperaturas muito altas é bastante fácil. E, embora os fenômenos físicos que lhe são familiares sejam diferentes em detalhes, você pode elevar a temperatura mais alto, mas apenas até o ponto em que destruirá absolutamente tudo o que lhe é querido. Portanto, tenha cuidado, alunos do Sr. Peters, mas não tenha medo do Large Hadron Collider. Mesmo no acelerador mais poderoso da Terra, atingimos energias de pelo menos 100 bilhões de vezes menos que as de risco.Envie-me suas perguntas e sugestões para os seguintes artigos.Source: https://habr.com/ru/post/pt397511/
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