Если забрать из чего-либо всю энергию, можно достичь абсолютного нуля, самой холодной температуры. Но можно ли достичь самой высокой?

Ничто не теряется, всё только преобразовывается.
— Михаэль Энде

В конце каждой недели мы выбираем из присланных вопросов один для ответа на него. На этой неделе честь отходит к школьному учителю Камерону Питерсу, который спрашивает:

Я учу наукам 8-й класс и мои школьники проходят понятие температуры. В частности мы рассматривали концепцию абсолютного нуля, что это значит и как это связано с движением атомов. Мои ученики хотят знать, существует ли максимальная достижимая в природе температура, или же верхнего ограничения не существует.

Начнём с тех позиций, которые должны быть известны восьмикласснику, и будем постепенно повышать градус.



Возьмём классический эксперимент: растворение пищевого красителя в воде разных температур. Что мы увидим? Чем больше температура, тем быстрее краситель растворится.

Почему так происходит? Потому, что температура молекул напрямую связана с кинетическим движением – и скоростью – частиц. Это значит, что в более горячей воде отдельные молекулы двигаются быстрее, и что частицы красителя разбегутся по объёму горячей воды быстрее, чем по холодной.



Если бы мы полностью остановили всё это движение – и всё бы замерло (и даже преодолели бы природу квантовой физики) – это позволило бы вам достичь абсолютного нуля: самой низкой термодинамической температуры.

Но что насчёт противоположного направления? Если вы разогреете систему частиц, они просто будут двигаться быстрее. Но существует ли лимит высоты температуры, и не столкнётесь ли вы с катастрофой, мешающей вам подняться выше? Давайте посмотрим.



При температурах в тысячи Кельвинов тепло, переданное молекулам, начнёт разрушать даже скрепляющие их связи, и, если продолжать разогрев, электроны начнут отрываться от атомов. У вас получится ионизированная плазма, состоящая из электронов и атомных ядер, без всяких нейтральных атомов.

Но и это пока допустимо: отдельные частицы – электроны и положительно заряженные ионы – будут прекрасно отскакивать друг от друга, и подчиняться обычным законам физики. И вы всё ещё можете поднимать температуру и смотреть, что будет дальше.



А дальше начнут распадаться отдельные частицы.
• Около 8 * 10⁹ (8 миллиардов К) от энергий столкновений частиц начнут спонтанно появляться пары материи/антиматерии – электроны и позитроны.
• Около 2 * 10¹⁰ (20 миллиардов К) ядра атомов будут разбиваться на протоны и нейтроны.
• Около 2 * 10¹² (2 триллиона К) протоны и нейтроны перестанут существовать, и вместо них будут летать составляющие их частицы, кварки и глюоны
• Около 2 * 10¹⁵ (2 квадриллиона К) в больших количествах начнут появляться все известные частицы и античастицы.



Но и это ещё не верхнее ограничение, вовсе нет. Как раз при температурах порядка 2 * 10¹⁵ (2 квадриллиона К) начнёт происходить кое-что интересное. Это как раз та энергия, которая нужна для появления бозона Хиггса, и, следовательно, для восстановления одной из самых фундаментальных симметрий Вселенной: симметрии, дающей частицам массу покоя.

Иначе говоря, когда вы разогреете систему ещё больше, вы обнаружите, что все ваши частицы утеряли массу, и летают со скоростью света. И вместо смеси материи, антиматерии и излучения, всё вокруг будет вести себя, как излучение, будь это на самом деле материя, антиматерия, или ни одно из них.



Но мы не закончили. Можно и дальше повышать температуру системы, и хотя внутри ничего не будет двигаться быстрее, оно станет более энергичным – так же, как радиоволны, микроволны, видимый свет и рентгеновские лучи являются формами света (и двигаются со скоростью света), хотя энергия у них всех разная.

Возможно, появятся какие-то пока неизвестные нам частицы, или новые законы (или симметрии). Вы могли бы решить, что можно двигаться и дальше, до бесконечных энергий.

Но есть три причины, по которым это невозможно.



1) Во Вселенной содержится конечное количество энергии. Возьмём всё, что существует в обозримом пространстве-времени: всю материю, антиматерию, излучение, нейтрино, тёмную материю, и даже энергию самого пространства – а это очень много. Существует порядка 10⁸⁰ частиц нормальной материи, 10⁸⁹ нейтрино и антинейтрино, чуть больше фотонов, и вся энергия, содержащаяся в тёмной материи и тёмной энергии, разбросанная в радиусе 46 миллиардов световых лет в наблюдаемой Вселенной вокруг нас.

Но даже если обратить всё это в чистую энергию (через E = mc²), и даже если использовать всю эту энергию для разогрева системы, у вас не будет бесконечного количества энергии. Если засунуть всё это в одну систему, энергии будет много, она будет соответствовать температурам порядка 10¹⁰³ К, но это не бесконечность. Так что верхний лимит есть. Но кое-что остановит вас ещё раньше, чем вы дойдёте до этого состояния.



2) Если вы вольёте слишком много энергии в замкнутое пространство, вы создадите чёрную дыру! Вы представляете себе чёрные дыры, как огромные, массивные и плотные объекты, способные заглотнуть огромные толпы планет так же, как печенюшный монстр проглатывает коробку печенья – неуклюже, без труда и без раздумий.



Но если придать отдельной квантовой частице достаточно энергии – даже если это безмассовая частица, двигающаяся со скоростью света – она обратится в чёрную дыру! Есть шкала, согласно которой нечто, накопив достаточно энергии, не сможет осуществлять взаимодействия, как это делают обычные частицы. И если вы дадите частице достичь такой энергии, в эквиваленте 22 мкгр согласно E = mc², вы сможете достичь всего 10¹⁹ ГэВ до того, как система откажется разогреваться далее. У вас будут спонтанно появляться чёрные дыры, которые затем немедленно распадутся до состояния с низкой энергией через тепловое излучение. Так что на этой энергетической ступени, планковской энергии, и существует верхнее ограничение для нашей Вселенной, которое соответствует температуре «всего лишь» в 10³² К.

Она гораздо меньше, чем предыдущая, поскольку не только Вселенная конечна, но и чёрные дыры становятся ограничивающим фактором. Но есть ещё один фактор, и о нём я бы волновался в первую очередь, поднимая температуру до немеренных высот.



3) При некоей высокой температуре вы восстановите потенциал, заставивший нашу Вселенную испытать инфляцию. До Большого взрыва Вселенная находилась в состоянии экспоненциального роста, когда само пространство расширялось, будто шар, с экспоненциальной скоростью. Все частицы, античастицы и излучение внутри него были быстро отделены от других кусочков материи и энергии, и в конце инфляции начался Большой взрыв.

Если вы достигнете температур, достаточных для приведения этого поля в инфляционное состояние, вы нажмёте кнопку перезагрузки Вселенной и заставите инфляцию возобновиться, что приведёт к повторному началу Большого взрыва.



Если это для вас слишком сложно, запомните вот что: если у вас получится поднять температуру до уровня, необходимого для такого эффекта, выжить вам не удастся. Теоретически его оценивают в 10²⁸ — 10²⁹ КК, хотя тут есть довольно большой разброс, в зависимости от того, на каком шаге происходит инфляция.

Поэтому подняться до очень больших температур довольно легко. И хотя привычные для вас физические явления будут отличаться в мелочах, вы сможете поднимать температуру всё выше, но лишь до точки, после которой вы уничтожите абсолютно всё, что вам дорого. Так что аккуратнее, ученики мистера Питерса, но не надо бояться Большого адронного коллайдера. Даже в самом мощном ускорителе Земли мы достигаем энергий, по меньшей мере, в 100 миллиардов раз меньших, чем рискованные. Присылайте мне ваши вопросы и предложения для следующих статей.