ELEARNING.SK | PR SPRÁVY | GSGROUP | NAJDES.SK | BRIGÁDY, PRÁCA | GLOBALOFFICE.SK | REGISTRAČNÉ VIRTUÁlNE SÍDLO FIRMY | MINCE | CMS | ESHOP | TESTIVA
Prihlásenie:
>Staňte sa redaktorom eQuark.sk

eQuark.sk

Anketa

Ak by ste o tom mohli rozhodnúť práve vy, zaradili by ste Pluto opäť medzi planéty?

Quark

Existuje horná hranica pre teplotu?

12.8.2008 12:22:48 | * q
| Počet zobrazení: 2954x

Odpovedá Peter Kluvánek,
Katedra fyziky ÚPHV Trenčianskej univerzity A. Dubčeka

 

Teplo sa definuje ako neusporiadaný (chaotický) pohyb častíc tvoriacich látku. Teplota je mierou intenzity tohto pohybu. Molekuly, atómy či elementárne častice neustále vykonávajú neusporiadaný pohyb. Ten nie je možné popísať (nevieme predpovedať veľkosť rýchlosti ani jej smer pre jednotlivé častice) vzhľadom na obrovský počet častíc tvoriacich látku. Takže musíme používať metódy štatistickej fyziky a z nej vychádzajúcej termodynamiky. Vďaka nim vieme, že kinetická energia tepelného pohybu častice je spojená s absolútnou teplotou. Pri danej teplote sa vyskytujú odchýlky jedným aj druhým smerom. Ale čím sú častice pomalšie alebo rýchlejšie, tým ich je v látke menej. Vidíme teda, že rýchlosť tepelného pohybu rastie s absolútnou teplotou. Pri teplote 0 K (jednotkou absolútnej teploty je kelvin – K) by bola rýchlosť nulová. To znamená, že všetok tepelný pohyb by ustal. Kvantová mechanika nám ukázala, že to nie je pravda. Tepelný pohyb neustáva ani pri teplote absolútnej nuly, nadobúda však najmenšiu možnú intenzitu v súlade so zákonmi kvantovej mechaniky. Termodynamika nás teda privádza k existencii najmenšej možnej teploty 0 K = -273, 15 C. Žiadnym mechanizmom nie je možné dosiahnuť teplotu nižšiu. Celkom prirodzene vzniká otázka, či nás príroda neobmedzuje aj z druhej strany a nedefinuje maximálnu možnú teplotu.
Zdalo by sa, že teória relativity v spojení s termodynamikou hranicu najvyššej teploty naozaj môže určiť. Keďže nemožno prekonať rýchlosť svetla, ani častice pri tepelnom pohybe nebudú rýchlejšie. Musí preto existovať maximálna teplota. Pri nej rýchlosť tepelného pohybu dosiahne rýchlosť svetla. Zo vzťahu ľahko zistíme, že čím je častica ľahšia, tým nižšia teplota by bola potrebná na dosiahnutie rýchlosti svetla. Pri veľkých rýchlostiach sa začne zvyšovať samotná hmotnosť častíc. Ak použijeme relativistický vzťah pre kinetickú energiu častice, zistíme, že rýchlosť častíc pri tepelnom pohybe neprekročí rýchlosť svetla pri žiadnej teplote. Pri nekonečnej teplote dosiahne rýchlosť častíc práve rýchlosť svetla.
To, že v termodynamike hranica maximálnej teploty ani nebude existovať, potvrdzuje aj takýto sugestívny dôkaz. Termodynamika stojí na troch princípoch – zákonoch. Prvým je zákon zachovania energie. Ten hovorí, že energia nevzniká z ničoho ani nenávratne nezaniká, len mení svoje formy. Nemožno preto skonštruovať stroj získavajúci energiu na prácu z ničoho (perpetuum mobile 1. druhu). Tento zákon má troch objaviteľov: J. R. von Mayer, J. P. Joule a H. von Helmholtz. Druhý zákon termodynamiky, zákon neustáleho narastania entropie, tiež obmedzuje naše možnosti. Zakazuje totiž skonštruovanie stroja, získavajúceho prácu ochladzovaním chladných telies na ešte chladnejšie (perpetuum mobile 2. druhu). Teplo totiž samovoľne prechádza len smerom z teplejších telies na chladnejšie. Tento zákon má dvoch objaviteľov: S. Carnota a R. Clausiusa. Tretí zákon termodynamiky znemožňuje dosiahnuť teplotu absolútnej nuly v konečnom čase. Ako ukázal W. H. Nernst, treba na to nekonečne veľa krokov. No a štvrtý zákon termodynamiky, obmedzujúci maximálnu možnú teplotu, nemôže existovať vôbec.
Istý čas sa zdalo, že štatistická fyzika pre elementárne častice predsa len predpovie maximálnu teplotu. Ak totiž častice majú vďaka tepelnému pohybu dostatočne veľkú kinetickú energiu, môže z tejto energie vzniknúť pár častica a antičastica (napríklad elektróny a pozitróny by začali vznikať pri teplote nad 11 miliárd kelvinov). Nezvyšovala by sa už kinetická energia častíc, ale vznikali by ďalšie častice. Podrobnejšie analýzy ukázali, že ani týmto smerom sa ku hraničnej teplote nedostaneme. A experimenty na najväčších urýchľovačoch dokázali vytvoriť vyššie teploty, než pripúšťali teoretické predpovede. Pri týchto extrémnych teplotách vznikajú takzvané ohnivé gule (fireballs). Sú to oblasti s obrovskou hustotou energie a teplotou, z ktorých vylietavajú desiatky a stovky najrôznejších častíc. Doteraz najvyššie teploty, dosiahnuté v urýchľovačoch, vznikli pri vytvorení kvark-gluónovej plazmy. V tomto stave hmoty veľké množstvá kvarkov a gluónov, normálne uväznené v hadrónoch (častice ako protón a neutrón), tvoria akúsi „superčasticu“ a nespájajú sa do nám známych častíc. Na kratučký čas tak vznikne útvar s teplotou viac ako bilión kelvinov. Doteraz sa tento stav hmoty podarilo vytvoriť len na urýchľovači SPS v CERN-e v Ženeve a na iónovom urýchľovači RHIC v USA. Niet sa však čo diviť, pretože kvark-gluónová plazma bola vo vesmíre „voľne dostupná“ v dobách, keď mal vek len zlomky milióntin sekundy. To už sú také extrémne podmienky, že predstaviť si ich dokáže len zopár vyvolených fyzikov.
Z toho, čo sme povedali, je jasné, že ak chceme hovoriť o ešte väčších teplotách, musíme ísť hlbšie do minulosti vesmíru. Fyzici to dokážu určiť pomerne presne aj pre časy kratšie než 10-35 s po Big Bangu. Vtedy boli silná, slabá a elektromagnetická interakcia spojená do jednej a teplota dosahovala viac ako 1027 K. Zatiaľ nemáme teóriu opisujúcu vývoj vesmíru v čase 10-44 s a menej. Nik totiž dosiaľ nespojil teóriu gravitácie (všeobecnú teóriu relativity) a kvantovú mechaniku. Aj vy si však môžete urobiť jednoduchý odhad – odborne sa tomu hovorí rozmerová analýza, pomocou ktorého približne získate najmenší čas, najmenšiu dĺžku a najväčšiu energiu, s ktorou budú fyzici môcť pracovať – takzvané Planckove veličiny. Fyzikom je jasné, že tieto hraničné hodnoty budú závisieť od troch fundamentálnych konštánt: Planckovej h, gravitačnej  a rýchlosti svetla c. Ak ich skombinujete tak, aby z nich vyšli čísla s rozmerom času, dĺžky a energie, získate Planckove veličiny. Planckovu energiu možno považovať za maximálnu možnú energiu častice. Preto sa bude rovnať súčinu Boltzmannovej konštanty k a Planckovej teploty. Planckova teplota je potom hľadaná maximálna hranica teploty. Ak tieto výpočty spravíte, zistíte, že v čase 10-44 s mal vesmír teplotu niečo nad 1032 K. No a toto je dosiaľ najlepší odhad maximálnej možnej teploty, ktorú pripúšťajú fyzikálne zákony.

Zdieľaj článok
 
Hodnotenie: 3,96
Príspevok na titulke

Vyberte článok na titulku kliknutím na linku

 

www.brigada.sk - brigády, brigáda, práca, zamestnanie www.najdes.sk - katalóg, portál, vyhľadávač www.equark.sk - veda, výskum, technika www.uvery.sk - úvery, pôžičky, hypotéky www.elearning.sk - elearning, LMS, vzdelávanie, kurzy, elektronické vzdelávanie www.globaloffice.sk - registračné sídlo, virtuálna adresa a kancelária www.globalhosting.sk - domény, doména, webhosting, hosting www.globalweb.sk - CMS, WCMS, redakčný systém, publikačný systém www.globalshop.sk - internetový obchod, eshop, e-commerce Global Services Slovakia s.r.o. - www.gsgroup.sk, informačné systémy, portálové riešenia, intranety, web dizajn

Generuje redakčný CMS systém GlobalWeb spoločnosti Global Services Slovakia s.r.o.