Começa Com Um Estrondo

Pergunte ao Ethan #92: Existe um limite de temperatura?

Crédito da imagem: Shutterstock.

Se você tirasse toda a energia de alguma coisa, chegaria ao zero absoluto, a temperatura mais fria de todas. Mas existe uma temperatura mais alta?

Nada se perde... Tudo se transforma. – fim de Michael

No final de cada semana aqui no Starts With A Bang, damos uma olhada no perguntas e sugestões que foram enviados para nossa coluna semanal Pergunte ao Ethan. Conforme votado por nossos apoiadores do Patreon , a homenagem desta semana vai para o professor Cameron Peters, que pergunta:

Eu ensino ciências da 8ª série e meus alunos estão aprendendo sobre calor e temperatura. Como parte disso, analisamos o conceito de zero absoluto, o que significa e como se relaciona com o movimento dos átomos. Meus alunos querem saber se existe uma temperatura máxima que pode ocorrer na natureza, ou se não existe um limite superior.

Vamos começar com o que um aluno da 8ª série saberia e aumentar a temperatura a partir daí.

Faça esta experiência clássica: jogar corante alimentar em água de diferentes temperaturas. O que você vai ver? Quanto mais quente a temperatura da água, mais rápido o corante alimentar se difundirá pela água.

Agora, Por quê isso acontece? Como a temperatura das moléculas está diretamente relacionada com a movimentos cinéticos — e velocidades — das partículas envolvidas. Isso significa que a água mais quente tem as moléculas de água individuais dentro dela se movendo em velocidades mais altas, e também que as partículas de corante alimentar serão transportadas mais rapidamente em água mais quente do que em água mais fria.

Crédito da imagem: A.Greg; usuário do Wikimedia Commons Greg L .

Se você fosse Pare todo esse movimento inteiramente - para trazer tudo ao descanso perfeito (até mesmo superando a natureza da física quântica para fazê-lo) - que permitiria que você alcançasse zero absoluto : o mais frio possível temperatura termodinâmica .

Mas que tal ir na outra direção? Se você aquecer um sistema de partículas, certamente elas começarão a se mover cada vez mais rápido. Mas existe um limite para o quão alto você pode aquecê-los, e há algum tipo de catástrofe em que você vai se deparar que o impeça de ficar mais quente do que algum limite? Vamos ver!

Crédito da imagem: colaboração Hinode, JAXA/NASA, via http://www.nasa.gov/multimedia/imagegallery/image_feature_785.html .

A temperaturas de milhares de Kelvin, o calor que você transmite às suas moléculas começará a destruir as próprias ligações que mantêm essas moléculas unidas e, se você continuar aumentando o calor, começará a retirar os elétrons dos próprios átomos. Você acabará com um plasma ionizado, algo feito exclusivamente de elétrons e núcleos atômicos, sem átomos neutros.

Mas isso ainda está bem: as partículas individuais lá dentro – os elétrons e os íons positivos – estão perfeitamente contentes em saltar nessas altas temperaturas, obedecendo às mesmas leis da física de sempre. E você ainda está livre para aumentar o calor e ver o que acontece a seguir.

À medida que você sobe e sobe de temperatura, as entidades individuais que você considera como partículas começam a se decompor.

Em aproximadamente 8 × 10^9 Kelvin (8 bilhões de K), você começa a produzir espontaneamente pares de matéria e antimatéria – elétrons e pósitrons – a partir das energias brutas das colisões de partículas umas com as outras.
Em cerca de 2 × 10^10 Kelvin (20 bilhões de K), os núcleos atômicos são explodidos espontaneamente em prótons e nêutrons individuais.
Por volta de 2 × 10^12 Kelvin (2 trilhões de K), prótons e nêutrons deixam de existir e, em vez disso, as partículas fundamentais que fazem eles up — quarks e glúons — começam a se agitar, soltos nessas altas energias.
E em aproximadamente 2 × 10^15 Kelvin (2 quatrilhões K), você começa a produzir todo as partículas e antipartículas conhecidas em grandes quantidades

Crédito da imagem: Laboratório Nacional de Brookhaven.

Isso, ainda, não é um limite superior, nem de longe. Bem em torno desse limite de 2 × 10^15 Kelvin (2 quatrilhões de K), algo mais interessante acontece. Veja, isso é exatamente a energia que você precisa para produzir o bóson de Higgs e, portanto, é Além disso ao redor da energia que você precisa para restaurar uma das simetrias mais fundamentais do Universo: a simetria que dá às partículas sua massa de repouso.

Em outras palavras, uma vez que você aqueça seu sistema acima desse limite de energia, você descobrirá que todas as suas partículas agora não têm massa e voam ao redor. na velocidade da luz . Em vez do que você pensa como uma mistura de matéria, antimatéria e radiação, tudo se comportaria como se fosse radiação, fosse realmente matéria, antimatéria ou nenhuma das opções acima.

Crédito da imagem: colaboração CERN / CMS, via https://news.slac.stanford.edu/features/word-week-higgsteria .

Mas não terminamos. Você pode continuar aquecendo seu sistema a temperaturas cada vez mais altas, e mesmo que tudo dentro dele não se mova mais rápido, vontade tornam-se mais energéticas, da mesma forma que as ondas de rádio, microondas, luz visível e raios X são todas formas de luz (e se movem na velocidade da luz), embora tenham energias muito diferentes.

Pode haver novas partículas ainda desconhecidas que são criadas, ou novas leis (ou simetrias) da natureza que entram em jogo. Você pode pensar que pode ir até o topo - cada vez mais quente - até infinito energias.

Há três razões pelas quais isso é impossível, no entanto.

Crédito da imagem: NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee e P. Oesch, Universidade da Califórnia, Santa Cruz; R. Bouwens, Universidade de Leiden; e a Equipe HUDF09.

1.) Há apenas uma quantidade finita de energia presente em todo o Universo observável . Pegue tudo o que existe em nosso espaço-tempo: toda a matéria, antimatéria, radiação, neutrinos, matéria escura, até a energia inerente ao próprio espaço, e é enorme. Existem cerca de 10^80 partículas de matéria normal, cerca de 10^89 neutrinos e antineutrinos, um pouco mais de fótons, mais toda a energia da matéria escura e energia escura que está espalhada pelo raio de 46 bilhões de anos-luz do Universo observável que está centrado em nossa posição.

Mas mesmo que você transformasse tudo isso em pura energia (via E = mc^2 ), e mesmo que você use toda essa energia para aquecer seu sistema, não terá uma quantidade infinita de energia para brincar. Se você colocar tudo isso em um único sistema, obterá uma enorme quantidade de energia, correspondente a uma temperatura de cerca de 10^103 Kelvin, mas isso ainda não é infinito. Então aí é um limite superior. Mas antes que você chegasse a esse ponto, algo mais o impediria…

Crédito da imagem: equipe SXS; Bohn et al 2015.

2.) Se você colocar muito quantidade de energia juntos em qualquer região confinada do espaço, você criará um buraco negro! Você normalmente pensa em buracos negros como objetos enormes, maciços e densos, capazes de engolir hordas de planetas inteiros da mesma forma que um monstro de biscoito pode engolir uma caixa inteira de biscoitos: de forma descuidada, fácil e impensada.

O problema é que, se você der energia suficiente a uma partícula quântica individual – mesmo que seja apenas uma partícula sem massa se movendo na velocidade da luz – ela se transformaria em um buraco negro! Há uma escala em que simplesmente ter algo com uma certa quantidade de energia significa que ele não pode interagir como as partículas normalmente fazem, e que se você tivesse partículas atingindo essa energia, o equivalente a 22 microgramas por E = mc^2 , você só seria capaz de obter até 10^19 GeV de energia ou mais antes que seu sistema se recusasse a ficar mais quente. Você produziria espontaneamente esses buracos negros que decairiam imediatamente em um estado de radiação térmica de baixa energia. Então parece que essa escala de energia – a escala de Planck — é o limite superior do nosso Universo, e que corresponde apenas a uma temperatura de aproximadamente 10^32 Kelvin.

Então isso é um muito inferior ao limite anterior, porque não só o Universo é finito, mas os buracos negros são fatores limitantes. Mas há algo mais que é um fator limitante, e é a grande coisa eu me preocuparia se eu tivesse a capacidade de elevar as temperaturas a escalas arbitrárias.

Crédito da imagem: Cosmic Inflation por Don Dixon.

3.) Em alguma temperatura alta, você restaurará o potencial que fez nosso Universo inflar, cosmicamente . Antes do Big Bang, o Universo estava passando por um estado de expansão exponencial, onde o próprio espaço estava inflando como um balão cósmico, mas a uma taxa exponencial. Todas as partículas, antipartículas e radiação dentro dele foram rapidamente separadas de todos os outros bits quânticos de matéria e energia, e quando a inflação chegou ao fim, o Big Bang começou.

Se você conseguisse atingir temperaturas suficientes para trazer esse campo de volta ao seu estado inflado, você efetivamente apertaria o botão de reset no Universo e faria com que a inflação voltasse, resultando no Big Bang começando tudo de novo.

Crédito de imagem: Moonrunner Design, via http://news.nationalgeographic.com/news/2014/03/140318-multiverse-inflation-big-bang-science-space/ .

Se isso for muito técnico para você, tire isso: se você conseguiu atingir a temperatura necessária para causar esse efeito, você não sobreviveria . Isso é teorizado para ocorrer em temperaturas de cerca de 10^28-10^29 K, embora haja um pouco de espaço de manobra lá, dependendo de qual seja a escala real de inflação.

Assim, você pode facilmente chegar a temperaturas muito, muito altas. Embora os fenômenos físicos aos quais você está acostumado sejam muito diferentes em detalhes, você ainda será capaz de fazê-lo subir, cada vez mais alto, mas apenas até um ponto antes de destruir absolutamente tudo o que você já amou. Portanto, tenham cuidado, alunos do Sr. Peters, mas não tenham medo do LHC. Mesmo no acelerador de partículas mais poderoso da Terra, ainda somos um fator de pelo menos 100 bilhões em energia longe de arriscar este efeito nocivo.

Enviar suas perguntas para Pergunte ao Ethan aqui , e nos vemos de volta para mais na próxima semana!

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