(sakkmesterke/Getty Images) Nach dem, was wir über unser Universum wissen, liegt die kälteste mögliche Temperatur bei „absoluten“ Null Grad Kelvin oder -273,15 Grad Celsius (-459,67 Grad Fahrenheit). Aber wie sieht es mit der höchstmöglichen Temperatur aus?
Die Physik weiß nicht genau, wie das absolut Heißeste überhaupt aussieht, aber theoretisch gab es so etwas – oder gab es zumindest – einmal. Es heißt Planck-Temperatur , aber wie alles im Leben ist es auch nicht so einfach.
Was ist überhaupt Temperatur?
Wenn man über die Temperatur nachdenkt, fällt einem vielleicht als Erstes eine Beschreibung der Wärmemenge ein, die ein Objekt enthält. Oder, was das betrifft, enthält nicht.
Hitze, oder Wärmeenergie , ist ein wichtiger Teil der Erklärung. Unser intuitives Verständnis von Wärme ist, dass sie von Quellen mit höheren Temperaturen zu Quellen mit niedrigeren Temperaturen fließt, wie eine dampfende Tasse Tee, die abkühlt, wenn wir darauf blasen.
Aus physikalischer Sicht ist thermische Energie eher eine Mittelung zufälliger Bewegungen in einem System, normalerweise zwischen Teilchen wie Atomen und Molekülen. Bringen Sie zwei Objekte mit unterschiedlicher Wärmeenergie so nahe, dass sie sich berühren können, und die zufälligen Bewegungen werden kombiniert, bis beide Objekte im Gleichgewicht sind. Als Energieform wird Wärme in der Einheit Joule gemessen.
Temperatur beschreibt hingegen das Energieübertragung von heißeren zu kälteren Regionen, zumindest theoretisch. Typischerweise wird es als Skala in Einheiten wie Kelvin, Celsius oder Fahrenheit beschrieben. Die Flamme einer Kerze mag im Vergleich zu einem Eisberg eine hohe Temperatur haben, aber die Menge an Wärmeenergie in ihrem erhitzten Docht wird keinen großen Unterschied machen, wenn sie gegen den Berg aus gefrorenem Wasser gestellt wird.
Was genau ist dann der absolute Nullpunkt?
Absoluter Nullpunkt ist eine Temperatur, also ein Maß für die relative Übertragung von Wärmeenergie. Theoretisch markiert es einen Punkt auf einer Temperaturskala, an dem dank der Gesetze keine Wärmeenergie mehr aus einem System entfernt werden kann Thermodynamik .
Praktisch gesehen ist genau dieser Punkt für immer außer Reichweite . Aber wir können dem Ziel auf verlockende Weise nahe kommen: Alles, was wir brauchen, sind Möglichkeiten, die durchschnittliche Menge an thermischer Energie zu verringern, die zwischen den Teilchen eines Systems verteilt wird, vielleicht mit dem Hilfe von Lasern , oder die richtige Art von Flip-Flop-Magnetfeld .
Aber am Ende kommt es immer zu einer Mittelung der Energie, die dazu führt, dass die Temperatur einen Bruchteil über der theoretischen Grenze dessen liegt, was extrahiert werden kann.
Was ist die höchstmögliche Temperatur?
Wenn der absolute Nullpunkt eine Grenze setzt ziehen Wenn wir Wärmeenergie aus einem System gewinnen, liegt es nahe, dass es auch eine Grenze dafür gibt, wie viel Wärmeenergie wir in ein System stecken können. Es gibt. Tatsächlich gibt es einige Grenzen, je nachdem, um welche Art von System es sich genau handelt.
Ein Extrem ist etwas namens Planck-Temperatur und entspricht 1,417 x 10 32 Kelvin (oder etwa 141 Millionen Millionen Millionen Millionen Millionen Grad). Das ist es, was die Leute oft als „absolut heiß“ bezeichnen. Nichts im heutigen Universum erreicht auch nur annähernd solche Temperaturen, aber es existierte für einen kurzen Moment, genau zu Beginn der Zeit. In diesem Bruchteil einer Sekunde – genauer gesagt einer einzelnen Planck-Zeiteinheit –, als die Größe des Universums nur eine Planck-Länge betrug, war die zufällige Bewegung seines Inhalts so extrem, wie es nur sein konnte.
Wenn es heißer wäre, wären Kräfte wie Elektromagnetismus und Kernkräfte der Schwerkraft ebenbürtig. Um zu erklären, wie das aussieht, ist eine Physik erforderlich, die wir noch nicht im Griff haben und die unser Wissen über die Quantenmechanik mit dem von Einstein vereint Allgemeine Relativitätstheorie .
Das sind auch einige ziemlich spezifische Bedingungen. Zeit und Raum werden nie wieder so eng sein. Das Beste, was das Universum heute schaffen kann, ist das dürftige paar Billionen Grad die wir erzeugen, wenn wir Atome in einem Collider zusammenschlagen.
Das Gegenteil des absoluten Nullpunkts
Aber es gibt eine andere Sichtweise auf Wärme, die die ganze Frage der Temperatur auf den Kopf stellt.
Bedenken Sie, dass thermische Energie den Durchschnitt der Bewegungen zwischen den Teilen eines Systems beschreibt. Um als „heiß“ zu gelten, genügt ein kleiner Prozentsatz seiner Teilchen, die chaotisch umherfliegen.
Was passiert also, wenn wir diesen Zustand umdrehen und weit mehr flinke als träge Teilchen haben? Es ist das, was Physiker eine Umkehrung nennen Maxwell-Boltzman-Verteilung , und seltsamerweise wird es mit folgenden Werten beschrieben unter dem absoluten Nullpunkt .
Dieses seltsame System scheint das Regelwerk der Physik außer Kraft zu setzen. Wir quantifizieren ihn nicht nur als negativ bis zum absoluten Nullpunkt, er ist technisch gesehen auch heißer als jeder positive Wert. Im wahrsten Sinne des Wortes heißer als heiß.
Eine Besonderheit der Statistik ist, dass wir es in keinem natürlichen Winkel des Universums finden würden. Erstens würde es unendlich viel Energie erfordern, und noch mehr.
Das bedeutet nicht, dass wir die Regeln nicht ein wenig ändern und so etwas schaffen können. Im Jahr 2013 es wurde demonstriert von Physikern der Ludwig-Maximilians-Universität München und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Deutschland; Allerdings verwendeten sie atomare Gase in sehr spezifischen Umgebungen, die ihre eigenen oberen Energiegrenzen auferlegten.
Die Ergebnisse Es handelte sich um ein stabiles Teilchensystem mit so viel kinetischer Energie, dass es unmöglich war, noch mehr hineinzudrücken. Die einzige Möglichkeit, diese besondere Anordnung zu beschreiben, bestand darin, eine Temperaturskala zu verwenden, die bis in den negativen Kelvinbereich reichte, also mehrere Milliardstel Grad unter dem absoluten Nullpunkt .
Solch ein bizarrer Zustand könnte theoretisch Wärmeenergie nicht nur aus heißeren, sondern auch aus kälteren Räumen absorbieren, was ihn zu einem wahren Monster extremer Temperaturen macht.
In dieser teuflischen Ecke des Universums wäre eine Maschine in der Lage, mit einer Effizienz von über 100 Prozent zu arbeiten, da sie sowohl heißes als auch kaltes Wasser speist und scheinbar die Gesetze der Thermodynamik missachtet.
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