Какая самая высокая температура в известной Вселенной, и можем ли мы ее достичь?

Из того, что мы знаем о нашей Вселенной, самая низкая возможная температура - это "абсолютный" ноль градусов Кельвина, или -273,15 градусов Цельсия. А как насчет самой горячей возможной температуры? 

Физика не совсем понимает, как выглядит абсолютная самая горячая из горячих температур, но, теоретически говоря, такая вещь существует - или, по крайней мере, когда-то существовала. Она называется температурой Планка, но, как и все в жизни, здесь не все так просто.

Что же такое температура?

Первое, что может прийти в голову при мысли о температуре, - это описание количества тепла, которое содержит объект. Или, если на то пошло, не содержит.

Тепло, или тепловая энергия, является важной частью объяснения. Наше интуитивное понимание тепла заключается в том, что оно течет от источников с более высокой температурой к источникам с более низкой температурой, подобно тому, как остывает чашка чая, когда мы на нее дуем.

В терминах физики тепловая энергия больше похожа на усреднение случайных движений в системе, обычно между частицами, такими как атомы и молекулы. Поместите два объекта с разным количеством тепловой энергии достаточно близко, чтобы соприкоснуться, и случайные движения объединятся, пока оба объекта не придут в равновесие. Как форма энергии, тепло измеряется в единицах джоулей. 

Температура, с другой стороны, описывает передачу энергии от более горячих областей к более холодным, по крайней мере, теоретически. Обычно она описывается в виде шкалы в таких единицах, как Кельвин, Цельсий или Фаренгейт. Пламя свечи может иметь высокую температуру по сравнению с айсбергом, но количество тепловой энергии в нагретом фитиле не будет иметь большого значения, если его поставить напротив горы замерзшей воды.

Что же такое абсолютный ноль?

Абсолютный ноль - это температура, то есть мера относительной передачи тепловой энергии. Теоретически, он обозначает точку на температурной шкале, когда по законам термодинамики из системы больше не может быть удалена тепловая энергия.

С практической точки зрения, эта точная точка навсегда остается недосягаемой. Но мы можем подойти к ней дразняще близко: Все, что нам нужно, - это способы уменьшить среднее количество тепловой энергии, распределенной между частицами системы, возможно, с помощью лазеров или подходящего магнитного поля.

Но в конечном итоге всегда происходит усреднение энергии, в результате которого температура остается на долю выше теоретического предела того, что можно извлечь.

Какова самая высокая температура из возможных?

Если абсолютный ноль устанавливает предел для отбора тепловой энергии из системы, логично предположить, что существует также предел того, сколько тепловой энергии мы можем запихнуть в систему. Так и есть. На самом деле, существует несколько пределов, в зависимости от того, о какой именно системе идет речь.

Один предел - это температура Планка, равная 1,417 x 1032 Кельвина (или 141 миллиону миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов градусов). Это то, что люди часто называют "абсолютной температурой". Ничто в современной Вселенной и близко не подходит к таким температурам, но они существовали в течение короткого мгновения на заре времен. В ту долю секунды - фактически одну единицу планковского времени, - когда размер Вселенной составлял всего одну планковскую длину, случайное движение ее содержимого было настолько экстремальным, насколько это вообще возможно. 

Если бы было еще жарче, то такие силы, как электромагнетизм и ядерные силы, сравнялись бы с силой гравитации. Чтобы объяснить, как это выглядит, требуется физика, которую мы еще не знаем, но которая объединяет то, что мы знаем о квантовой механике, с общей теорией относительности Эйнштейна.

Это также довольно специфические условия. Время и пространство никогда больше не будут настолько ограничены. Сегодня лучшее, на что способна Вселенная, - это мизерные несколько триллионов градусов, которые мы создаем, когда сшибаем атомы в коллайдере. 

Противоположность абсолютному нулю

Но есть и другой способ взглянуть на тепло, который переворачивает весь вопрос о температуре с ног на голову.

Помните, что тепловая энергия описывает среднее значение движения между частями системы. Достаточно лишь небольшого процента частиц, хаотично летающих вокруг системы, чтобы считать ее "горячей". 

Что же произойдет, если мы перевернем это состояние и получим гораздо больше молниеносных частиц, чем вялых? Это то, что физики называют перевернутым распределением Максвелла-Больцмана, и, как ни странно, оно описывается значениями ниже абсолютного нуля.

Эта странная система, кажется, перечеркивает все правила физики. Мало того, что мы количественно определяем ее как отрицательное значение по отношению к абсолютному нулю, она технически горячее любого положительного значения. В буквальном смысле горячее, чем горячо.

Как причуда статистики, это не то, что мы могли бы найти в любом естественном уголке Вселенной. С одной стороны, для этого требуется бесконечное количество энергии, и даже больше. 

Но это не значит, что мы не можем немного нарушить правила и создать нечто подобное. В 2013 году физики из Университета Людвига-Максимилиана в Мюнхене и Института квантовой оптики Макса Планка в Германии продемонстрировали такую возможность; они использовали атомные газы в очень специфических условиях, которые накладывают свои собственные верхние пределы энергии.

В результате была получена стабильная система частиц с таким количеством кинетической энергии, что ее невозможно было больше впихнуть. Единственный способ описать эту конкретную систему - использовать температурную шкалу, которая переходит в отрицательный Кельвин, или на несколько миллиардных долей градуса ниже абсолютного нуля. 

Такое причудливое состояние теоретически могло поглощать тепловую энергию не только из более горячих, но и из более холодных пространств, что делало его настоящим монстром экстремальных температур.

В этом дьявольском уголке Вселенной машина могла бы работать с эффективностью более 100 процентов, питаясь как от горячего, так и от холодного, как бы наплевав на законы термодинамики.