بیگ بنگ: بر اساس چیزی که در مورد کیهان‌ می‌دانیم، سردترین دمای ممکن، دمای صفر درجه‌ی کلوین، یا منفی ۲۷۳.۱۵ درجه سلسیوس است. اما گرم‌ترین دمای ممکن چیست؟

به گزارش بیگ بنگ، به نظر می‌رسد در مورد اینکه گرم‌ترین دمای مطلق چیست، فیزیک کمی مبهم عمل می‌کند؛ اما از نظر تئوری، چنین چیزی وجود دارد- یا حداقل اینکه زمانی وجود داشته است. به گرم‌ترین دمای ممکن “دمای پلانک” می‌گویند، اما مثل همه‌ی چیزهای دیگر در زندگی، آن‌قدرها هم ساده نیست.

اصلا دما چیست؟

وقتی به دما فکر می‌کنیم، اولین چیزی که به ذهنمان خطور می‌کند، توصیف مقدار گرما یا سرمای یک جسم است. درک شهودی ما از گرما این است که گرما از منابع ِ با دمای بالاتر به منابعِ با دمای پایین‌تر جریان می‌یاید، مثل یک فنجان چای داغ که بخار دارد و در حال خنک شدن است.

از نظر فیزیک، انرژی حرارتی بیشتر شبیه به میانگین‌ حرکات تصادفی در سیستم و معمولا در بین ذراتی مانند اتم‌ها و مولکول‌ها است. اگر دو جسم با مقادیر ِ متفاوت انرژی حرارتی را به اندازه‌ی کافی نزدیک بهم قرار دهیم تا با یکدیگر تماس داشته باشند، حرکات تصادفی تا زمانی که هر دو شیء به تعادل برسند ادامه خواهد داشت. گرما به عنوان نوعی انرژی، با واحد ژول اندازه‌گیری می‌شود.

از سوی دیگر، دما انتقال انرژی از مناطق گرم‌تر به مناطق سردتر را، حداقل از نظر تئوری، توصیف می‌کند. دما معمولا با مقیاس‌هایی مانند کلوین، سلسیوس یا فارنهایت اندازه‌گیری می‌شود. ممکن است شعله‌ی شمع در مقایسه با کوه یخ دمای بالایی داشته باشد، اما مقدار انرژی حرارتی در فتیله‌ی گرم‌شده‌ی آن وقتی در مقابل کوه یخ قرار گیرد، تفاوت چندانی ندارد.

پس صفر مطلق دقیقا چیست؟

صفر مطلق یک دما است، پس یعنی اندازه‌گیری انتقال نسبی انرژی حرارتی. از نظر تئوری و به لطف قوانین ترمودینامیک، “صفر مطلق” نقطه‌ای را در مقیاس دما مشخص می‌کند که در آن نقطه، انرژی حرارتی دیگر نمی‌تواند از سیستم حذف ‌شود.

از نظر عملی، این نقطه‌ی دقیق همیشه دور از دسترس است. اما می‌توانیم به طرز وسوسه‌انگیزی به آن نزدیک شویم: تنها چیزی که نیاز داریم، راه‌هایی برای کاهش میانگین انرژی حرارتی پخش‌شده بین ذرات سیستم است که شاید با کمک “لیزر” یا نوع مناسبی از “میدان مغناطیسی فلیپ فلاپ” بتوان به آن دست یافت. اما در نهایت، همیشه یک میانگین کاهش انرژی وجود دارد که باعث می‌شود دما کمی بالاتر از حد تئوریِ چیزی باشد که می‌توان بدست آورد.

گرم‌ترین دمای ممکن چیست؟

اگر صفر مطلق محدودیت مشخصی را برای کشیدن انرژی حرارتی از یک سیستم تعیین کند، آنگاه منطقی است که محدودیتی نیز برای انتقال میزان انرژی حرارتی به درون سیستم وجود داشته باشد. در واقع، بسته به نوع سیستمی که در مورد آن صحبت می‌کنیم، چند نوع محدودیت وجود دارد.

در یک سمت چیزی به نام “دمای پلانک” وجود دارد که معادل با 1.417 ضربدر 10 به توان 32 کلوین (یا چیزی حدود ۱۴۱ میلیون میلیون میلیون میلیون میلیون درجه) است. این همان چیزی است که اغلب به آن «گرمای مطلق» می‌گویند. در کیهان امروزی، هیچ چیزی به این مقادیر دما نزدیک نمی‌شود، اما این دما برای لحظه‌ای کوتاه درست بعد از بیگ بنگ وجود داشت. در آن کسر از ثانیه- در واقع یک واحد زمان پلانک- وقتی اندازۀ کیهان فقط یک پلانک بود، حرکت تصادفی محتویاتِ آن تقریبا تا جایی که می‌توانست شدید بود.

هرگونه نیروی گرم‌تری مانند الکترومغناطیس و نیروهای هسته‌ای، با نیروی گرانش برابری می‌کرد. توضیح این امر به فیزیک نیاز دارد و ما هنوز به این نوع فیزیک دست نیافته‌ایم؛ یعنی فیزیکی که آنچه در مورد مکانیک کوانتومی می‌دانیم را با نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین یکپارچه کند.

این شرایط نیز بسیار خاص هستند. زمان و فضا دیگر هرگز تا این حد محدود نخواهند شد. امروزه بالاترین دما در کیهان، چند تریلیون درجه‌ی ناچیز است که هنگام کوبیدن اتم‌ها به یکدیگر در یک برخورد‌دهنده ایجاد می‌کنیم.

معکوس صفر مطلق

اما راه دیگری هم برای بررسی و نگاه کردن به گرما وجود دارد؛ راهی که کل مسئله‌ی گرما را تغییر می‌دهد. به خاطر داشته باشید که “انرژی حرارتی” میانگین حرکات در بین اجزای یک سیستم را توصیف می‌کند. تنها چیزی که لازم داریم این است که درصد کمی از ذرات آن سیستم، به طور نامنظم و پرهرج‌ومرج در حال حرکت باشند تا به آن «گرم» گفته شود.

پس اگر این حالت را برعکس کنیم و ذرات پرنیروتر و چابک‌تری نسبت به ذراتِ کم‌سرعت‌تر داشته باشیم، چه اتفاقی می‌افتد؟ این همان چیزی است که فیزیک‌دانان به آن «توزیع معکوس ماکسول- بولتزمن» می‌گویند و به طرز عجیبی با استفاده از مقادیر زیر صفر مطلق توصیف می‌شود.

به نظر می‌رسد این سیستم عجیب، قوانین فیزیک را دور می‌زند. ما این سیستم را نه تنها یک عدد منفی نسبت به صفر مطلق می‌دانیم، بلکه از نظر فنی هم داغ‌تر از هر مقدار مثبتی می‌دانیم. به معنای واقعی کلمه داغ‌تر از داغ است. این چیزی نیست که بتوان آن را در هر قسمت طبیعی از کیهان یافت، بلکه آمارِ عجیبی است؛ به این دلیل که به “بی‌نهایت انرژی” نیاز دارد.

البته بدان معنا نیست که نمی‌توانیم قوانین را کمی تغییر دهیم و چیزی شبیه به آن بسازیم. در سال ۲۰۱۳، فیزیک‌دانان دانشگاه لودویگ ماکسیمیلیان مونیخ و موسسه‌ی اپتیک کوانتومی ماکس پلانک در آلمان، از گازهای اتمی در شرایط بسیار خاص استفاده کردند و محدودیت‌های شدید انرژی را اعمال کردند.

نتایج ِ آنها یک سیستم پایدار از ذرات با انرژی جنبشی بسیار زیاد را نشان داد که دیگر نمی‌توان ذرات بیشتری را به داخلش انتقال داد. تنها راه برای توصیف این آرایش خاص استفاده از مقیاس دمایی بود که برابر با کلوین منفی یا چندین میلیاردم درجه پایین‌تر از صفر مطلق بود.

از نظر تئوری، چنین وضعیت ِ عجیبی می‌تواند “انرژی حرارتی” را نه تنها از فضاهای گرم‌تر بلکه از فضاهای سردتر هم جذب کند و آن را به هیولای واقعی دماهای شدید تبدیل کند. در این گوشه‌ی وحشتناک کیهان، ماشین‌آلات انسان می‌تواند با بازدهی بیش از ۱۰۰ درصد کار کند و به طور یکسان از گرما و سرما تغذیه شود؛ چیزی که ظاهرا قوانین ترمودینامیک را کاملا نادیده می‌گیرد.

ترجمه: زهرا جهانبانی/ سایت علمی بیگ بنگ

منبع: sciencealert.com