Υπάρχει ανώτατο όριο στη θερμοκρασία; Αν ναι, ποιο είναι αυτό; Παρακάτω θα γνωρίσουμε μαζί τις τις υψηλότερες θερμοκρασίες του Σύμπαντος!
Υψηλές θερμοκρασίες σε πλανήτες και αστέρες
Ίσως όταν σκέφτεστε θερμά μέρη στο Σύμπαν ο νους σας να πηγαίνει σε πολύ θερμούς πλανήτες, όπως είναι η Αφροδίτη. Πράγματι, στην επιφάνεια της Αφροδίτης έχουμε τις υψηλότερες θερμοκρασίες από οποιονδήποτε άλλο πλανήτη του ηλιακού μας συστήματος, λόγω ενός ακραίου φαινομένου θερμοκηπίου. Βέβαια έχουμε ανακαλύψει εξωπλανήτες που είναι πολύ θερμότεροι απ’ την Αφροδίτη! Είναι, λοιπόν, αυτές οι θερμότερες περιοχές στο Σύμπαν; Όχι βέβαια. Για να βρούμε τις πιο θερμές περιοχές θα πρέπει να αναζητήσουμε περιοχές υπερβολικά μεγάλης πίεσης και πυκνότητας.
Για παράδειγμα, αν βυθιστούμε στο εσωτερικό της Γης, και προσεγγίσουμε το κέντρο της, θα συναντήσουμε έναν πυρήνα από σίδηρο που ξεπερνά τους 5.000 βαθμούς Κελσίου. Αυτή η τιμή είναι συγκρίσιμη με τη θερμοκρασία που έχει η επιφάνεια του Ηλίου.
Άρα, είναι σαν να έχουμε έναν μικρό Ήλιο στο εσωτερικό της Γης! Η αλήθεια, βέβαια, είναι λίγο πιο σύνθετη, γιατί μπορεί η επιφάνεια του Ηλίου να έχει θερμοκρασία 5.500 βαθμών Κελσίου, αλλά εάν βυθιστούμε σε αυτόν και φτάσουμε στον πυρήνα του, θα συναντήσουμε μια περιοχή 15 εκατομμυρίων βαθμών Κελσίου. Εκεί πραγματοποιείται πυρηνική σύντηξη και πρακτικά είναι σαν να πυροδοτούνται δισεκατομμύρια υδρογονοβόμβες κάθε δευτερόλεπτο. Στα πιο θερμά μπλε άστρα η επιφανειακή θερμοκρασία μπορεί να ξεπεράσει τους 50.000 βαθμούς Κελσίου, ενώ ο πυρήνας τους είναι υπερβολικά καυτός ξεπερνώντας τους 50.000.000 βαθμούς!
Υπάρχουν όμως και υψηλότερες θερμοκρασίες. Τα άστρα όσο γερνάνε, καίνε τα καύσιμά τους, με αποτέλεσμα ο πυρήνας τους να συμπιέζεται και να θερμαίνεται υπερβολικά. Έτσι, σε άστρα σαν τον Ήλιο μας η θερμοκρασία του πυρήνα μπορεί να ξεπεράσει τους 100.000.000 βαθμούς.
Στα μεγαλύτερα άστρα τα πράγματα είναι ακόμα πιο εντυπωσιακά, διότι η θερμοκρασία του πυρήνα τους συνεχίζει να αυξάνεται υπό την τρομακτική πίεση της γιγάντιας μάζας τους, ξεπερνώντας την τιμή των 3 δισεκατομμυρίων βαθμών Κελσίου. Σε αυτή τη θερμοκρασία μπορεί να πραγματοποιηθεί σύντηξη πυριτίου και δημιουργία σιδήρου. Όταν ένας τέτοιος γιγάντιος αστέρας καταρρεύσει και πραγματοποιήσει μια έκρηξη supernova, ο πυρήνας ξεπερνά κατά πολύ τους 100 δισεκατομμύρια βαθμούς Κελσίου, επιτρέποντας τον σχηματισμό στοιχείων βαρύτερων από τον σίδηρο.
Κβάζαρ
Βρήκαμε λοιπόν τις πιο θερμές περιοχές στο Σύμπαν; Είναι εκεί που συμβαίνουν οι εκρήξεις supernova; Όχι, γιατί υπάρχουν ακόμα πιο ακραίες καταστάσεις. Και για να τις γνωρίσουμε θα πρέπει να επισκεφθούμε τα τιτάνια εξωτικά αντικείμενα που είναι γνωστά ως κβάζαρ.
Τα κβάζαρ είναι αρχαίες υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες που βρίσκονται στα κέντρα γαλαξιών. Τα υλικά που συλλέγουν γύρω τους είναι τόσο πολλά και κινούνται τόσο γρήγορα που σχηματίζουν έναν καυτό δίσκο γύρω από τη μαύρη τρύπα, ο οποίος ονομάζεται «δίσκος προσαύξησης» (100.000 – 1.000.000 βαθμοί Κελσίου).
Εκεί, όμως, που οι τιμές της θερμοκρασίας ξεφεύγουν εντελώς είναι στους εντυπωσιακούς πίδακες ακτινοβολίας των κβάζαρ. Οι πίδακες αυτοί αποτελούνται από πλάσμα, δηλαδή φορτισμένα σωματίδια που επιταχύνονται και κινούνται με τεράστιες ταχύτητες. Η ακραία ενέργεια αυτών των σωματιδίων προέρχεται κυρίως από το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται γύρω από τη μαύρη τρύπα. Σήμερα έχουμε ανιχνεύσει κβάζαρ που έχουν πίδακες ακτινοβολίας που ξεπερνούν τους 500 δισεκατομμύρια βαθμούς Κελσίου. Μάλιστα, σύμφωνα με μια μελέτη του 2016, το κβάζαρ 3C 273 ενδέχεται να έχει πίδακες 10 τρισεκατομμυρίων βαθμών Κελσίου1, κάτι ιδιαίτερα ασυνήθιστο ακόμα και για κβάζαρ.
«Πότε» υπήρξε το πιο θερμό Σύμπαν;
Ούτε οι πίδακες όμως των κβάζαρ είναι οι πιο θερμές περιοχές στο διάστημα. Πού βρίσκονται, λοιπόν, οι πιο καυτές περιοχές του Σύμπαντος! Ίσως η ίδια η ερώτηση να είναι λανθασμένη, διότι το ερώτημα δεν είναι «πού» αλλά «πότε» υπήρξαν οι πιο καυτές περιοχές του Σύμπαντος. Και για να το απαντήσουμε αυτό θα πρέπει να ταξιδέψουμε στην 4η διάσταση του Σύμπαντος, πίσω στον χρόνο.
Ας επισκεφθούμε λοιπόν το 1ο εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου του Σύμπαντος. Εκείνη την εποχή, το Σύμπαν ήταν τόσο πυκνό και θερμό, που η θερμοκρασία ξεπερνούσε ένα όριο που ονομάζεται «Θερμοκρασία Hagedorn». Η θερμοκρασία Hagedorn είναι περίπου 2 τρισεκατομμύρια βαθμοί Κελσίου. Σε αυτή την κρίσιμη τιμή τα πρωτόνια και τα νετρόνια -που συναντούμε στους πυρήνες των ατόμων- σπάνε στα δομικά τους κομμάτια, δηλαδή στα κουάρκ που τα αποτελούν.
Έτσι, δημιουργείται μια θάλασσα από κουάρκ και άλλα σωματίδια που είναι γνωστή ως “πλάσμα κουάρκ-γκλουνίων”. Άρα, στη θερμοκρασία Hagedorn η ύλη όπως τη γνωρίζουμε διαλύεται2. Εάν η θερμοκρασία πέσει, τα κουάρκ μπορούν να ενωθούν και πάλι μεταξύ τους σχηματίζοντας πρωτόνια και νετρόνια.
Βέβαια, η θερμοκρασία μπορεί να γίνει ακόμα μεγαλύτερη και από τη θερμοκρασία Hagedorn. Το ερώτημα είναι: υπάρχει άραγε ανώτατο όριο στη θερμοκρασία; Ξέρουμε ότι η ελάχιστη θερμοκρασία είναι το απόλυτο μηδέν δηλαδή -273,15 βαθμοί Κελσίου. Υπάρχει κάτι αντίστοιχο από την άλλη μεριά; Για να το απαντήσουμε αυτό πρέπει πρώτα να σκεφτούμε τι σημαίνει η λέξη «θερμοκρασία».
Στη Φυσική, η θερμοκρασία ενός σώματος μας λέει ποια είναι η κινητική ενέργεια των σωματιδίων που το αποτελούν. Υψηλή θερμοκρασία σημαίνει πολύ μεγάλη κινητική ενέργεια των σωματιδίων, δηλαδή τα άτομα κινούνται ταχύτατα. Χαμηλή θερμοκρασία σημαίνει ότι τα άτομα κινούνται αργά. Θα μπορούσε να υπάρξει, λοιπόν, μια θερμοκρασία αρκετά υψηλή ώστε οι νόμοι της Φυσικής όπως τους γνωρίζουμε να καταρρεύσουν;
Η απάντηση είναι ναι. Η θερμοκρασία αυτή, όπου το Σύμπαν παύει να βγάζει νόημα, είναι η περίφημη Θερμοκρασία Planck, η οποία ισούται με 1,4 x 1032 βαθμούς Κελσίου. Σε αυτή την ακραία θερμοκρασία η ενέργεια των σωματιδίων γίνεται τόσο μεγάλη, που η βαρύτητα γίνεται σημαντική ακόμα και σε μικροσκοπικό επίπεδο! Όμως, μέχρι τώρα, αγνοούσαμε την ύπαρξη της βαρύτητας στον μικρόκοσμο.
Ωραία, θα πείτε, και γιατί απλώς δεν συνυπολογίζουμε και τη βαρύτητα σε αυτή την περίπτωση; Διότι, απλούστατα, ακόμα δεν έχουμε μια ολοκληρωμένη θεωρία της κβαντικής βαρύτητας. Άλλωστε τις τελευταίες δεκαετίες γίνεται μια τεράστια προσπάθεια ώστε να ενοποιηθεί η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, που περιγράφει τη βαρύτητα σε μεγάλες κλίμακες, με την Κβαντική Μηχανική που περιγράφει άριστα τον μικρόκοσμο.
Το Σύμπαν φαίνεται ότι πράγματι είχε θερμοκρασία Planck όταν η ηλικία του ήταν μόλις 10-43 s. Πρακτικά είναι αδύνατο να πούμε τι συνέβαινε πριν από αυτή τη χρονική στιγμή μιας και η Φυσική που γνωρίζουμε σήμερα παύει να ισχύει πέρα από αυτό το όριο. Άρα η θερμοκρασία Planck δεν είναι ένα πραγματικό όριο, όπως είναι το απόλυτο μηδέν όπου τα σωματίδια έχουν την ελάχιστη ενέργεια, αλλά ένα όριο για τη σύγχρονη Φυσική. Ποιος ξέρει λοιπόν; Ίσως κάποιος απ’ τους νεότερους αναγνώστες να καταφέρει στο μέλλον να λύσει το αίνιγμα και να συνεισφέρει στην ενοποίηση των δύο μεγάλων θεωριών της Φυσικής.
1. Η θερμοκρασία των πιδάκων δεν είναι θερμοκρασία με την κλασική έννοια που θα είχαμε σε ένα κλειστό δωμάτιο ή σε ένα περικλεισμένο δοχείο, αλλά η θερμοκρασία που αντιστοιχεί στην τεράστια φωτεινότητα των πιδάκων. Εξάλλου, οι αποστάσεις μεταξύ των σωματιδίων είναι σχετικά μεγάλες και οι ταχύτητές τους τεράστιες, αλλά όχι σε περιορισμένο όγκο. Για αυτό, οι πίδακες ακτινοβολίας των κβάζαρ, δεν διαλύουν την ύλη. Εξάλλου, αποτελούνται κυρίως από ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια, τα οποία δεν σπάνε σε κουάρκ.
2. Η θερμοκρασία Hagedorn έχει επιτευχθεί στο CERN.
