Koja je najviša moguća temperatura?

Prema zakonima fizike, najniža moguća temperatura jest apsolutna nula, odnosno minus 273,15 Celzijevih stupnjeva. No postoji li i suprotna granica – najviša temperatura koju svemir može dosegnuti?

Znanstvenici smatraju da takva granica postoji, a poznata je kao Planckova temperatura. Procjenjuje se na približno 1,417 puta 10 na 32 kelvina, što je broj gotovo nezamislivih razmjera.

Što zapravo mjeri temperatura?

Temperatura nije isto što i količina topline. Ona opisuje prosječnu energiju gibanja čestica i način na koji se toplinska energija prenosi iz toplijih područja prema hladnijima.

Zbog toga plamen svijeće može imati višu temperaturu od ledenjaka, iako ledenjak zbog svoje goleme mase sadrži znatno više ukupne toplinske energije.

Apsolutna nula predstavlja teorijsku granicu pri kojoj iz sustava više nije moguće ukloniti toplinsku energiju. Iako joj se znanstvenici mogu približiti pomoću lasera i magnetskih polja, tu temperaturu nije moguće potpuno dosegnuti.

Koja je najviša moguća temperatura?

Ako apsolutna nula predstavlja granicu količine toplinske energije koja se može ukloniti iz sustava, logično je pretpostaviti da postoji i granica količine energije koja se može dodati.

Takva granica postoji, a zapravo ih ima nekoliko, ovisno o vrsti sustava o kojem je riječ.

Jedna od krajnjih vrijednosti jest Planckova temperatura, koja iznosi približno 1,417 puta 10 na 32 kelvina. To je broj od oko 141 milijun milijuna milijuna milijuna milijuna stupnjeva.

Ta se temperatura često opisuje kao apsolutno najviša moguća temperatura.

U današnjem svemiru ništa joj se ni približno ne može približiti, ali vjeruje se da je postojala vrlo kratko na samom početku vremena.

Tijekom djelića sekunde, odnosno jednog Planckova vremena, kada je svemir bio širok tek jednu Planckovu duljinu, nasumično gibanje njegovih sastavnih dijelova bilo je približno najintenzivnije što je uopće moguće.

Pri još višim temperaturama sile poput elektromagnetske i nuklearnih sila postale bi usporedive s gravitacijom.

Za objašnjenje takva stanja potrebna je fizikalna teorija koju još nemamo. Ona bi morala objediniti kvantnu mehaniku i Einsteinovu opću teoriju relativnosti.

Riječ je i o vrlo posebnim uvjetima, a prostor i vrijeme vjerojatno se nikada više neće naći u tako ekstremno zgusnutom stanju.

Danas se najviše temperature postižu sudaranjem atoma u akceleratorima čestica, pri čemu nastaju vrijednosti od nekoliko bilijuna stupnjeva. U usporedbi s Planckovom temperaturom, čak su i one iznimno niske.

Suprotnost apsolutnoj nuli

Postoji i drugi način promatranja topline koji pitanje temperature potpuno okreće naglavačke.

Toplinska energija opisuje prosječnu vrijednost gibanja čestica unutar nekog sustava. Dovoljno je da se manji dio čestica giba izrazito kaotično kako bi se sustav smatrao vrućim.

No što se događa kada se takvo stanje obrne pa velik broj čestica ima visoku energiju, dok ih je samo mali broj spor?

Fizičari takvo stanje nazivaju obrnutom Maxwell-Boltzmannovom raspodjelom. Neobično je to što se ono opisuje temperaturama nižima od apsolutne nule.

Toplije od svega što smatramo vrućim

Takav sustav naizgled prkosi uobičajenim pravilima fizike. Ne samo da se njegova temperatura prikazuje negativnim kelvinima, nego se tehnički smatra toplijim od bilo koje pozitivne temperature.

Doslovno je topliji od svega što nazivamo vrućim.

Riječ je o posljedici statističkog opisa čestica, a takvo stanje ne postoji prirodno ni u jednom poznatom dijelu svemira. Za njegovo bi stvaranje, među ostalim, bila potrebna beskonačna količina energije.

Ipak, znanstvenici mogu djelomično zaobići ta ograničenja i stvoriti sustav sličnih svojstava.

Fizičari sa Sveučilišta Ludwig Maximilian u Münchenu i njemačkog Instituta Max Planck za kvantnu optiku 2013. godine izveli su takav pokus koristeći atomske plinove u vrlo precizno kontroliranim uvjetima, koji su nametali vlastitu gornju granicu energije.

Rezultat je bio stabilan sustav čestica s tolikom kinetičkom energijom da u njega više nije bilo moguće dodati dodatnu energiju.

Takvo se stanje moglo opisati jedino temperaturnom ljestvicom koja se protezala u područje negativnih kelvina, odnosno nekoliko milijarditih dijelova stupnja ispod apsolutne nule.

Takav neobičan sustav u teoriji bi mogao apsorbirati toplinsku energiju ne samo iz toplijih nego i iz hladnijih prostora, što ga čini svojevrsnim ekstremom među ekstremnim temperaturama.

U takvim uvjetima stroj bi prividno mogao raditi s učinkovitošću većom od 100 posto jer bi energiju crpio i iz toplih i iz hladnih izvora, naizgled prkoseći zakonima termodinamike.