گرم‌ترین دما در جهان شناخته شده ما چقدر است؟

فرارو- بر اساس آنچه در مورد کیهان خود می‌دانیم، سردترین دمای ممکن صفر درجه کلوین «مطلق» یا منفی ۲۷۳.۱۵ درجه سانتیگراد (۴۵۹.۶۷- درجه فارنهایت) است، اما گرم‌ترین دمای ممکن چقدر است؟ فیزیک در مورد اینکه چه چیز داغ‌ترین گرما در کیهان را دارد، کمی دچار ابهام است، اما از نظر تئوری، چنین چیزی زمانی وجود دارد یا حداقل وجود داشته است. این دمای «پلانک» نامیده می‌شود، هرچند که به مانند بسیار از چیز‌های موجود نمی‌توان به سادگی آن را توضیح داد.

به گزارش فرارو، این موضوع در وهله اول نیاز به این دارد که ما تکلیف خود را با مفهوم دما روشن کنیم. اولین چیزی که ممکن است هنگام فکر کردن به دما به ذهن خطور کند، توصیف مقدار گرمای یک جسم باشد. گرما یا انرژی حرارتی بخش مهمی از این توضیح است. درک شهودی ما از گرما این است که گرما از منابعی با دمای بالاتر به منابع با دمای پایین‌تر جریان می‌یابد، مانند یک فنجان چای داغ که در حین دمیدن به آن خنک می‌شود.

از نظر فیزیک، انرژی حرارتی بیشتر شبیه میانگین‌گیری حرکات تصادفی در یک سیستم است که معمولاً در بین ذراتی مانند اتم‌ها و مولکول‌ها رخ می‌دهد. برای مثال، دو جسم با مقادیر متفاوت انرژی حرارتی را به اندازه کافی نزدیک قرار دهید تا یکدیگر را لمس کنند، حرکات تصادفی تا زمانی که هر دو جسم در تعادل باشند با هم ترکیب می‌شوند. در این فرآیند، گرما به عنوان نوعی انرژی، با واحد ژول اندازه گیری می‌شود. از طرف دیگر دما انتقال انرژی از مناطق گرمتر به مناطق سردتر را حداقل از نظر تئوری توصیف می‌کند و معمولاً به عنوان یک مقیاس، در واحد‌هایی مانند کلوین، سلسیوس یا فارنهایت توصیف می‌شود. شعله یک شمع ممکن است دمای بالایی در مقایسه با کوه یخ داشته باشد، اما مقدار انرژی حرارتی موجود در فتیله گرم شده آن وقتی در مقابل کوه آب یخ زده قرار می‌گیرد، تفاوت چندانی ایجاد نمی‌کند.

پس صفر مطلق دقیقاً چیست؟

صفر مطلق یک دما است و مبنای اندازه گیری انتقال نسبی انرژی گرمایی است. در تئوری، این مبنا نقطه‌ای را در مقیاس دما مشخص می‌کند که به لطف قوانین ترمودینامیک، دیگر نمی‌توان آن را از یک سیستم حذف کرد. از نظر عملی، این نقطه دقیق برای همیشه دور از دسترس است. اما می‌توانیم به طرز وسوسه‌انگیزی به آن نزدیک شویم. تنها چیزی که برای این کار نیاز داریم، راه‌هایی برای کاهش میانگین انرژی گرمایی پخش شده در بین ذرات یک سیستم است که شاید با کمک لیزر، یا نوع مناسب میدان مغناطیسی فلیپ فلاپ، می‌توان آن را محقق کرد. اما در نهایت، همیشه یک میانگین کاهش انرژی وجود دارد که باعث می‌شود دما کسری بالاتر از حد تئوری آن چیزی باشد که می‌توان استخراج کرد.

حالا گرم‌ترین دمای ممکن چیست؟

اگر صفر مطلق محدودیتی را برای برداشت انرژی حرارتی از یک سیستم تعیین می‌کند، ممکن است منطقی باشد که برای اینکه چقدر انرژی حرارتی را می‌توانیم به یک سیستم انتقال دهیم نیز محدودیتی وجود دارد. در واقع، بسته به نوع سیستمی که ما در مورد آن صحبت می‌کنیم، چند محدودیت وجود دارد. در یک حالت افراطی چیزی به نام دمای پلانک وجود دارد که معادل ۱.۴۱۷ در ۱۰۳۲ کلوین (یا چیزی در حدود ۱۴۱ میلیون میلیون میلیون میلیون میلیون درجه) است. این همان چیزی است که دانشمندان اغلب از آن به عنوان «گرم مطلق» یاد می‌کنند. هیچ چیز در جهان امروزی به این میزان دما‌ها نزدیک نمی‌شود، اما برای لحظه‌ای کوتاه و درست در سپیده دم شکل گیزی حیات، این دما وجود داشت. در آن کسری از ثانیه – در واقع یک واحد زمان پلانک – زمانی که اندازه کیهان فقط یک طول پلانک بود، حرکت تصادفی محتویات آن تقریباً تا این دما رسیده بود.

توضیح این فرآیند، به نظر می‌رسد به بخشی از علم فیزیک نیاز دارد که ما هنوز به آن دسترسی نداریم. بخشی که آنچه را که در مورد مکانیک کوانتومی می‌دانیم با نظریه نسبیت عام انیشتین متحد می‌کند. این‌ها نیز نیز به نوبه خود از شرایط بسیار خاص هستند که زمان و مکان را هرگز تا این حد محدود نخواهد کرد. امروزه بهترین چیزی که کیهان می‌تواند مدیریت کند، چند تریلیون درجه ناچیز است که هنگام کوبیدن اتم‌ها به یکدیگر در یک برخورد دهنده ایجاد می‌کنیم.

معکوس صفر مطلق!

اما راه دیگری برای درک این میزان گرما وجود دارد، روشی که کل مسئله دما را تغییر می‌دهد. به خاطر داشته باشید که انرژی حرارتی میانگین حرکت در بین اجزای یک سیستم را توصیف می‌کند. تنها چیزی که لازم است این است که درصد کمی از ذرات آن به طور پر هرج و مرج در حال پرواز باشند تا به عنوان «گرم» شناخته شوند. پس چه اتفاقی می‌افتد اگر این حالت را برگردانیم و ذرات زیپ بسیار بیشتری نسبت به ذرات کند داشته باشیم؟ این همان چیزی است که فیزیکدانان آن را توزیع معکوس ماکسول-بولتزمن می‌نامند، و به طرز عجیبی، با استفاده از مقادیر زیر صفر مطلق توصیف شده است.

به نظر می‌رسد این سیستم عجیب، قوانین فیزیک را کنار گذاشته است. ما نه تنها آن را به عنوان یک منفی تا صفر مطلق تعیین می‌کنیم، بلکه از نظر فنی داغتر از هر مقدار مثبت است. به عنوان یک ویژگی عجیب، این چیزی نیست که ما بتوانیم در هر گوشه طبیعی کیهان پیدا کنیم. برای یک چیز، به مقدار بی نهایت انرژی و سپس مقداری انرژی نیاز دارد. این بدان معنا نیست که ما نمی‌توانیم قوانین را نادیده بگیریم و چیزی شبیه به آن بسازیم. در سال ۲۰۱۳ فیزیکدانان دانشگاه لودویگ ماکسیمیلیانس مونیخ و موسسه اپتیک کوانتومی ماکس پلانک در آلمان نشان دادند که گاز‌های اتمی در تنظیمات بسیار خاص محدودیت‌های انرژی بالایی را تحمیل می‌کنند.

نتایج یک سیستم پایدار از ذرات با انرژی جنبشی بسیار زیادی بود که دیگر نمی‌توان به داخل آن رانده شد. تنها راه برای توصیف این آرایش خاص استفاده از مقیاس دمایی بود که به کلوین منفی یا چندین میلیاردم درجه پایین‌تر می‌رفت، یعنی همان صفر مطلق. چنین حالت عجیبی در تئوری می‌تواند انرژی حرارتی را نه تنها از فضا‌های گرمتر، بلکه از فضا‌های سردتر نیز جذب کند و آن را به یک هیولای واقعی دما‌های شدید تبدیل کند. در واقع، در این گوشه اهریمنی کیهان، ماشینی وجود دارد که می‌تواند با بازدهی بیش از ۱۰۰ درصد از گرما و سرما به طور یکسان تغذیه شود و دمایی مافوق تصور را ایجاد کند.

منبع: sciencealert

ترجمه: مصطفی جرفی-فرارو