12. júla 2020
Najvyšia a najnižšia teplota

Aká je najmenšia a najväčšia možná teplota


(nadpis je otázka od Petra a Mateja, hneď dvaja dopytovatelia, evidentne veľmi akútna vec!)

Pre teplotu máme cit. Na dotyk vieme odlíšiť, čo je chladné a čo teplé. Niektoré veci sú teplé tak akurát, pohnúť sa do extrému hociktorým smerom je nebezpečné – hrozia buď omrzliny alebo popáleniny. To, čo vnímame ako teplotu, pocit tepla či chladu, je však len interpretácia signálov mozgom.

Fyzikálna podstata teploty je takáto: je to miera mikroskopického pohybu atómov a molekúl.

Ako prvý príklad si zoberme nejaký plyn, napríklad hélium v balóniku. Molekuly v ňom sa prakticky ignorujú, letia až kým nenarazia na stenu nádoby, od nej sa odrazia a pokračujú ďalej. Teplota plynu je úmerná rýchlosti (na druhú) atómov (resp. molekúl) v ňom. Čím je plyn horúcejší, tým narážajú častice na stenu častejšie a silnejšie – na stenu nádoby pôsobí väčší tlak. Ak nádoba môže, roztiahne sa.

S tým, že zvyšovanie teploty zväčšuje objem plynov v nádobe (a naopak) máme kopu skúseností. Ak napríklad celofánom utesníte misku s horúcim jedlom, po vychladnutí je podtlak celkom jasne vidieť.

Druhým príkladom je železo – atómy v ňom sú napevno (to je podstata tuhej látky), no to neznamená, že sa ich teplota netýka. Atómy horúceho železa oscilujú okolo svojej rovnovážnej polohy živelnejšie, než atómy chladného železa – uzurpujú si okolo seba viac miesta, silnejšie odpudzujú svojich susedov a tak sa železo mierne roztiahne. Preto dokážu extrémne horúčavy pokrútiť kovové koľajnice.

Z tohto pohľadu je očividné, že musí existovať niečo, ako minimálna teplota – je to teplota, pri ktorej sa atómy a molekuly úplne prestanú hýbať. (Realita je mierne zložitejšia kvôli kvantovým efektom pri extrémne nízkych teplotách).

Toto nastane pri teplote −273.15˚C, resp 0K. (Už možno rozumiete, prečo vedci bežne merajú teplotu v Kelvinoch – stupňovanie má rovnaké, ako Celzius, no začína od absolútnej nuly a nie od bodu zamrznutia vody.)

Existuje aj niečo ako maximálna teplota? Na prvý pohľad by sa zdalo, že nie – teplota hmoty je úmerná kinetickej energii jej častíc a tá predsa nemá horné ohraničenie.

Možná hranica však existuje – ak spojíme dokopy fundamentálne konštanty prírody, teda rýchlosť svetla, gravitačnú konštantu, Planckovu konštantu (opisuje kvantový svet) a Boltzmanovu konštantu (prepája energiu s teplotou) správnym spôsobom, dostaneme niečo, čo sa volá Planckova teplota. Tá má hodnotu 1(31 číslic) kelvinov (resp. ˚C).

Je to indícia, že sa pri tejto teplote deje niečo zvláštne. Hmota začína byť tak energetická, že gravitačné sily začnú byť na úrovni jadrových a elektromagnetických síl a skutočné správanie systému opisuje kvantová gravitácia, ktorú nepoznáme. Či sa za túto teplotu v princípe dokážeme dostať, tiež nevieme.

Náš vesmír chladne. Ak sa naň pozeráme späť v čase, javí sa horúcejší a horúcejší. Najtesnejší moment po veľkom tresku (rádovo Planckov čas) mal vesmír približne Planckovu teplotu – a práve táto limituje naše poznanie. Bez porozumenia teórie kvantovej gravitácie (ako napríklad teórie strún) nezistíme ani ako vznikol vesmír (ani potom to nie je 100% garantované) – nevieme ako sa správal, keď mal maximálnu (?) možnú teplotu.

[Samuel]

PS: Rekordy v laboratóriu sú 0.00036 K a 5.5 trilióna K (v LHC).

Min celkovo:
https://en.wikipedia.org/wiki/Absolute_zero

Min v labáku:
https://www.nature.com/articles/nature20604

Max:
https://en.wikipedia.org/wiki/Planck_temperature

Max v “labáku”:
https://www.seeker.com/lhc-smashes-highest-man-made-temperature-record-1765929082.html

Úvod do vesmíru:
http://www.astro.ucla.edu/~wright/BBhistory.html

Pridaj komentár