Sıcaklık limiti var mı? Kapalı bir bardak suyun ısınmaya devam etmesine izin verirseniz ne olur?
Sıcaklık, bir nesnenin sıcak ve soğuk derecesini ifade eden fiziksel bir niceliktir.Mikroskobik olarak konuşursak, nesnenin moleküllerinin termal hareketinin yoğunluğudur.
Evrende mutlak sıfır olduğunu duyduk, yani herhangi bir maddedeki moleküllerin ve atomların termal hareketi durdurduğu nokta, ancak mutlak yüksek sıcaklığı hiç duymadık, o zaman doğada en yüksek sıcaklık var mı, yoksa yüksek sıcaklığın kendisinin üst sınırı mı yok? ? Bugün bu konu hakkında konuşacağız.
Ortaokul bilgisi ile başlayalım ve sonra buradan ısınmaya başlayalım.
Gıda boyasını farklı sıcaklıklarda suya düşürürseniz ne görürsünüz? Su sıcaklığı ne kadar yüksekse, gıda boyası suya o kadar hızlı yayılır.
Bu neden böyle? Çünkü suyun sıcaklığı su moleküllerinin hızını belirler. Başka bir deyişle, daha sıcak sudaki tek tek su molekülleri daha hızlı hareket eder, bu da gıda boyası parçacıklarının daha sıcak suda soğuk suya göre daha hızlı hareket etmesine neden olur.
Bir nesnedeki moleküllerin / atomların hareketini tamamen durdurmak, her şeyi tamamen hareketsiz hale getirmek veya hatta kuantum fiziğinin belirsizliğinin doğasını aşmak istiyorsak, bir nesnenin sıcaklığını mutlak sıfıra indirmemiz gerekir.Bu sıcaklık termodinamiktir. Ulaşılabilecek en düşük sıcaklık.
Peki yön değiştirmeye ne dersiniz? Bir parçacık sistemini (bir fincan kapalı su) sürekli olarak ısıtırsak, parçacıkların rastgele hareketi kesinlikle daha hızlı ve daha hızlı olacaktır. Ancak, bu sıcaklığın bir sınırı olup olmadığını hiç merak ettiniz mi? Bir sistemi ısıtmaya devam edersek, bir tür felaket olur ve belirli bir sınır sıcaklığı aşmamızı engeller mi?
Sürekli su ısıtma
Binlerce Kelvin sıcaklıkta (güneş değişken yüzey sıcaklığı 5500K'dır), ısı moleküller arasındaki kimyasal bağları kırmaya başlayacak ve eğer sıcaklığı artırmaya devam ederseniz, enerji atomlardan elektronları ayırmaya başlayacaktır. Ardından, tamamen elektronlardan ve atom çekirdeklerinden oluşan ve hiç nötr atomu olmayan iyonize bir plazma elde edeceğiz.
Şu anda, tek tek parçacıklar (elektronlar ve pozitif iyonlar) yüksek sıcaklıklarda hala şiddetli bir şekilde hareket edecek, her zamanki gibi aynı fiziksel yasalara uyacak ve özel bir şey olmayacak. Sistemi ısıtmaya ve sonra ne olacağını görmeye devam ediyoruz.
Sıcaklık yükseldikçe, enerji ve madde birbirini dönüştürmeye başlar ve bir zamanlar düşündüğümüz "parçacıklar" da ayrışmaya başlar:
Yaklaşık 8 × 10 ^ 9 Kelvin (8 milyar K) sıcaklıkta, madde ve antimadde çiftleri (elektronlar ve pozitronlar), birbirleriyle çarpışan parçacıkların orijinal enerjisinden kendiliğinden üretilir. Yaklaşık 2 × 10 ^ 10 Kelvin (20 milyar K) sıcaklıkta, çekirdek yüksek enerjili fotonlar tarafından vurulduktan sonra tekli protonlara ve nötronlara patlayacaktır.
Yaklaşık 2 × 10 ^ 12 Kelvin (2 trilyon K) sıcaklıkta, protonlar ve nötronlar artık mevcut değildir, bunun yerine onları oluşturan temel parçacıklar (kuarklar ve gluonlar) çarpışmaya başlar. Genellikle kuarkların sınırlı olduğunu söyleriz. Sadece, düşük enerjide, kuarklar artık yüksek enerjiye bağlı değildir. Yaklaşık 2 × 10 ^ 15 Kelvin (2 katrilyon K) sıcaklıkta, şu anda bilinen tüm parçacıklar ve antiparçacıklar çok sayıda üretilmeye başlandı.
Ancak, bu hala üst sıcaklık sınırı değildir. Ancak 2 × 10 ^ 15 Kelvin (2 katrilyon K) kritik değerinin hemen etrafında, ilginç şeyler olacak. Bu sıcaklık, Higgs bozonunu üretmek için tam olarak gereken enerjidir, dolayısıyla Higgs alanı bu sıcaklıkta diğer parçacıklarla birleşmeyi durduracaktır.
Başka bir deyişle, sistemi bu enerji eşiğinin üzerine ısıttığımızda, artık tüm parçacıkların kütlesiz parçacıklar olduğunu ve ışık hızında uçtuğunu göreceğiz. Bu madde, antimadde ve radyasyon karışımları, ister madde, ister antimadde veya madde dışı olsun, şimdi radyasyon gibi davranacak.
Sistemi daha yüksek ve daha yüksek sıcaklıklara ısıtmaya devam edersek, bu parçacıklar ışık hızından daha hızlı hareket etmeyecekler, ancak tıpkı radyo dalgaları, mikrodalgalar, görünür ışık ve x-ışınları gibi daha fazla enerji taşımaya devam edecekler. Hepsi ışık hızında hareket eden farklı ışık biçimleridir, ancak farklı enerjilerle,
Şu anda, sistemde bazı bilinmeyen yeni parçacıklar veya yeni doğa kanunları üretilebilir. Böylece sistemi sonsuz bir sıcaklığa ulaşana kadar ısıtmaya devam edebilir miyiz?
Ancak bu üç nedenden dolayı imkansızdır.
Gözlemlenebilir evrenin tamamında enerji sınırlıdır. Örnek olarak gözlemlenebilir evrenimizdeki tüm maddeyi, antimaddeyi, radyasyonu, nötrinoları, karanlık maddeyi ve hatta uzayın kendi içsel enerjisini alın Yaklaşık 10 ^ 80 sıradan madde parçacığı ve yaklaşık 10 ^ 89 nötrino vardır. Ve antinötrinolar, biraz daha fazla foton, artı tüm karanlık madde ve karanlık enerji enerjisi, 46 milyar ışıkyılı yarıçapına sahip bir evrende dağılmış durumdalar.
Ancak tüm maddeyi saf enerjiye çevirsek bile (E = mc ^ 2 ile), tüm enerjiyi sistemi ısıtmak için en ufak bir kayıp olmaksızın kullansak bile, bu enerji sınırlıdır ve bu enerji yaklaşık olarak 10 ^ 'ye karşılık gelir. Sıcaklık 103 Kelvin'dir, bu nedenle evrende bir üst enerji sınırı vardır. Ancak sistem bu sıcaklık noktasına ulaşmadan önce, bu kadar çılgınca davranmamızı engelleyen başka felaket şeyler olacak.
Sınırlı bir alanda çok fazla enerji toplarsak, bir kara delik yaratırız! Kara delikleri genellikle yakındaki yıldızlararası maddeyi, yıldızları ve gezegenleri yutabilen devasa, yoğun gök cisimleri olarak düşünürüz!
Ancak tek bir kuantum parçacığına yeterli enerji sağlarsak, bu parçacık ışık hızında hareket eden kütlesiz bir parçacık olsa bile, küçük ölçekte bir kara delik haline gelecektir! Bu enerji yaklaşık 10 ^ 19 GeV'dir ve E = mc ^ 2'ye göre yaklaşık 22 mikrogramdır. Bu enerji altında, parçacıklar kendiliğinden kara delikler üretecek ve hemen daha düşük enerjili bir termal radyasyon durumuna bozunacak. Bu nedenle, evrendeki üst sıcaklık sınırı yaklaşık 10 ^ 32 Kelvin'lik bir sıcaklığa karşılık geliyor gibi görünmektedir.
Bu sıcaklık, önceki sınırdan çok daha düşük, çünkü yalnızca kozmik enerji sınırlı değil, aynı zamanda kara delikler de sınırlayıcı bir faktör. Ancak başka sınırlayıcı faktörler de var: Sıcaklığı rastgele bir aralığa yükseltme yeteneğim varsa, daha da korkunç şeyler olacak.
Belli bir yüksek sıcaklıkta, evrenin yeniden şişmesine neden olacağız.Büyük Patlamadan çok önce, evren üstel bir genişleme durumundaydı.Uzayın kendisi bir balon gibi genişledi, ancak genişleme hızı üsteldi. Enflasyon sona erdiğinde büyük patlama başladı.
Yeterli bir sıcaklığa ulaşmayı başarırsak, sistem, evrenin "sıfırla" düğmesine basmaya eşdeğer olan, şişmenin yeniden başlamasına ve büyük patlamanın yeniden başlamasına neden olan şişirme durumuna geri dönecektir.
Teorik olarak, evrenin şişmesi yaklaşık 10 ^ 28-10 ^ 29 K bir sıcaklıkta gerçekleşir, bu nedenle sıcaklığı sonsuza kadar artırmak imkansızdır, çünkü evren yalnızca sınırlı enerjiye sahiptir, sonuçta Büyük Patlama'dan doğmuştur. .
Genellikle mutlak yüksek sıcaklıktan bahsetmeyiz çünkü bu sıcaklık için belirli bir standart yoktur ve bunun bir anlamı yoktur çünkü insanlar böyle bir sıcaklığa ulaşamazlar. Yeryüzündeki en güçlü parçacık hızlandırıcı bile yukarıdaki özel efektleri üretmek için hala en az 100 milyar kat enerjiye ihtiyaç duyar.
