Почему между абсолютным нулём и планковской температурой такая разница?

Физика обозначает два характерных возможных значения для температуры. Это минимальная температура или абсолютный ноль и максимальная температура или температура Планка. Когда смотришь на их численные значения, то невольно появляется вопрос о странной огромной разнице между показателями. В одном случае это миллионы градусов, в другом — всего лишь минус 273 по Цельсию с копейками. Откуда такая пропасть между значениями? Ведь на первый взгляд кажется, что они должны быть хоть как-то сбалансированы.

Прежде чем разбирать эту интересную проблему, давайте сначала проговорим основные понятия, которые нам пригодятся.

Основные понятия

Абсолютный ноль — это такая температура, ниже которой нельзя опуститься. По крайней мере, так считается в классической теории физики. Эта температура известна, она измерена (хотя и косвенно) и вы все хорошо знаете её значение. История появления цифры довольно-таки занятная, но это отдельная тема, в которую мы сейчас влезать не будем.

Попытка опуститься ниже этого показателя связывается с бесконечной энергией и подразумевает некоторые феноменальные процессы, которые классическая физика не допускает.

Максимальная температура обозначается как планковская. Ее значение вы тоже, наверное, знаете, хотя наизусть и не помните. Там миллионы градусов. Теория также предполагает, что выше этой температуры вся физика сломается.

Ещё раз отмечу, что интуитивно хочется видеть, что -273 градуса по Цельсию будет минимальной температурой, а +273 — максимальной. Но мы имеем разницу на много порядков.

Что происходит с материей при разных температурах

Для понимания проблемы нам нужно погрузиться в осознание природы процессов. Это не просто показатели, это некоторые значения с физическим смыслом.

Термодинамика говорит, что температура характеризуется как мера теплового движения частиц. Если температура высокая, то частички двигаются активно. Если температура низкая, то частички стоят почти неподвижно. Я специально использую термин «частички», потому что там можно рассматривать самые разные существующие частицы. Начиная от атомов и вплоть до субатомных частиц. Все они будут одинаково проявлять большую активность при наличии высокой температуры.

Важно помнить, что частицы в теле расположены определенным образом. Их расположение определяется силами взаимодействия, которые между ними существуют. Атомы испытывают сразу и взаимное притяжение, и взаимное отталкивание. Они притягиваются до некоторого момента, но в какой-то момент упираются электронными оболочками, и электронные оболочки начинают отталкиваться. Вся эта система повисает в воздухе, и получается, собственно говоря, то, что мы видим как кристаллическую решетку.

Если мы передаем частицам дополнительную энергию посредством нагрева, то у них появляется потенциал, способный перерастать в движение. Начинается интенсивная нарастающая пульсация этих частиц и происходит то, что мы называем плавлением твердого тела. Структура рвётся и ломается. В этот момент частицы начинают интенсивно отталкиваться, интенсивно прыгать, бегать внутри этой системы и происходят различные характерные процессы.

Мы переходим к жидкому агрегатному состоянию, а там не с горами переход и к газообразному состоянию. Во всех этих состояниях самое важное — это сила взаимодействия между частицами.

Эта информация необходима для того, чтобы мы могли каким-то образом характеризовать поведение частичек при изменении температуры. И теперь мы знаем, что если температура понижается, то частички начинают двигаться меньше. У них не хватает энергии для того, чтобы отрываться, отталкиваться, прыгать или бегать. Система кристаллизуется. И наоборот.

Но самое важное тут другое — взаимодействие между частицами. Именно оно определяет минимальное расстояние между частицами при минимальной энергии и максимальное при наибольшей соответственно. Оно определяет прочность связей и стабильность материи. Из этого следует кое-что интересное.

На пути к минимальной температуре

При абсолютном нуле энергии у частиц практически нет и она вся передалась другим объектам. Это значит, что система закрепляется определённым образом согласно специфической модели существования этого тела и схеме взаимодействия частичек. Система почти статична. Слово «почти» обозначается умышленно. Ведь согласно теории даже при абсолютном нуле всё-таки будут происходить минимальные флуктуации структуры.

Если движения практически нет, то частицы тела будут располагаться на минимальном расстоянии друг от друга. Элементы системы будут располагаться настолько близко друг к другу, насколько они только могут располагаться. Это можно представить, как коробку с шариками.

Допустим, у нас есть шарики для пинг-понга. Мы берём и пытаемся поместить их в закрытую коробку. Туда влезает, например, 20 шариков. Шарики для пинг-понга символизируют частицы. Частичек в ящик может влезть определённое количество. Мы чисто физически не сможем запихнуть в ящик большее количество частичек. Упаковка будет таковой, что частицы просто займут положение, где возможно и образуют плотнейшую упаковку. Это эквиваленты почти неподвижного расположения частиц при минимальной температуре, а характерные расстояния определяются балансом сил между элементами. Так будет выглядеть твёрдое тело при абсолютном нуле.

Дальнейшее понижение температуры, если допустить разговоры об этом, не позволит системе уплотниться ещё больше. Более того, поскольку температура есть эквивалент теплового движения, абсолютный ноль скорее символизирует полное отсутствие всякой температуры.

Попытка достичь температуры Планка

Теперь перейдём к антиподу этого понятия. Планковская температура огромная. Напротив тому, что мы обсуждали применительно к коробке с шариками, с Планком всё ещё проще.

Мы берём эти же шарики и пытаемся их растащить по огромному пространству. Поскольку пространства существует невероятное количество и нет стенок этой коробки, то накачивать энергию в систему можно безгранично долго.

Чем больше мы сообщаем температуры этой системе, тем дальше друг от друга разбегаются частицы. Во Вселенной нет такой коробки, чтобы она помешала.

Считается, что при некоторых показателях, мы дойдем до такого предела, где, собственно говоря, уже не будет существовать материя в нашем ее понимании. Это и будет абсолютный максимум. Но это не означает, что систему нельзя продолжать нагревать.

Про всякого рода превышения

Довольно модно обсуждать всякого рода выходы за обозначенные границы. По факту всё это будет чем-то типа гипотез. Почему-то частенько тут ссылаются на мнение, что абсолютный ноль удалось перешагнуть. Но когда мы говорим про такие темы, нужно правильно понимать, а что вообще произошло с физической точки зрения? В частности, к минимальному пределу лишь удалось приблизиться. Но тут есть кое-что важное для осознания.

Показатели, которые у нас сегодня существуют, это всё-таки не какие-то абсолютные показатели. Фактически мы строим физику на том, что завязываем всю теорию на каких-то критических параметрах. Критические параметры существуют такими только сегодня.

Если вы посмотрите, как развивается физика с момента ее становления, то вы увидите, что некоторые значения периодически меняются. Это вполне нормальное явление. И табличные величины, про которые мы с вами говорим, табличные только сегодня. Ничто не говорит о том, что через 100 лет эти значения не будут перемерены. Вместе с изменением этих значений поедет и вся теория, которая вокруг них существует. Это вполне обычный и неизбежный процесс. Поэтому ставить вопрос так, что физики врали до этого, а вот теперь мы точно измерили абсолютный ноль — это верх невежества и безграмотности.

Любая модель существует на данных, которые у неё есть. Есть модели успешные и не очень. Существующая сегодня физическая модель довольно успешна.

Вместо заключения

В конечном итоге понимание обсуждаемой проблемы можно свести к простой механике. В одном случае нам некуда больше положить шарики, а в другом случае для шариков нет никакой границы. Шарики — это частицы. Когда температура минимальная, то частицы упаковываются плотнейшим образом и теряют энергию, а это происходит при температуре около абсолютного нуля. Это значение значительно ближе к «реальным» температурам, чем планковские значения. Ну, а расстояния между частицами при постоянном нагреве может расти бесконечно. Тут можно упереться лишь в потолок современного осознания высокотемпературного состояния материи.