الرئيسية » سؤال وجواب » هل هناك حد اقصى لدرجة الحرارة؟

هل هناك حد اقصى لدرجة الحرارة؟

هل هناك حد اقصى لدرجة الحرارة؟

في احدى محاضرات الفيزياء الحرارية حيث يتعلم الطلبة على موضوع درجة الحرارة والحرارة تعرضنا لموضوع الصفر المطلق وماذا تعني وما هي علاقتها بحركة الذرات. سألني احد الطلبة هل هناك درجة حرارة قصوى او هل يوجد حد أقصى لدرجة الحرارة؟ سؤال منطقي وهذه هي الاجابة.

دعنا نبدأ بمفهوم درجة الحرارة وعلاقتها بحركة الذرات. قم بعمل هذه التجربة البسيطة، ضع بضع قطرات من الحبر في ماء عند درجات حرارة مختلفة وراقب ماذا يحدث. ينتشر الحبر بسرعة اكبر في الماء الساخن بالمقارنة مع الماء البادر.

 

الان، لماذا يحدث هذا؟ السبب يعود إلى علاقة درجة الحرارة مع حركة الجزئيات وسرعتها. هذا يعني ان جزيئيات الماء الساخن تمتلك سرعات اكبر، وبالتالي فان جسيمات الحبر تنتشر بسرعة اكبر بالمقارنة مع الماء البارد.

motion of particles

اذا اردنا ان نوقف حركة الجزيئات بالكامل وجعل كل شيء في حالة سكون علينا ان نخفض درجة الحرارة حتى الصفر المطلق absolute zero وهي اقل درجة حرارة ممكنة والتي تعادل 273.16 درجة مئوية تحت الصفر.

لكن ماذا عن الاتجاه الاخر؟ اذا قمنا بتسخين مجموعة من الجسيمات بالتأكيد سوف تتحرك بسرعة اكبر. لكن هل هناك حد لاقصى درجة حرارة يمكن ان نصل لها وهل يحدث شيء كارثي اذا تمكنا من الوصول بدرجة الحرارة إلى اعلى من حد معين. دعنا نرى!

عند درجة حرارة تصل لالاف درجة كلفن، تعمل الطاقة الحرارية على تفكيك الروابط بين الجزئيات، واذا استمرت درجة الحرارة في الارتفاع تبدأ عملية انتزاع الالكترونات من الذرات نفسها، حتى نحصل على بلازما متأينة بالكامل اي خليط من الالكترونات وانوية الذرات بدون وجود لاي ذرة متعادلة على الاطلاق.

وفي هذه المرحلة تكون الالكترونات والايونات الموجبة في حالة حركة وتصادمات قوية وتخضع لقوانين الفيزياء كالمعتاد. لنقوم الان بزيادة الحرارة ونرى ماذا يحدث في المرحلة القادمة.

هل هناك حد اقصى لدرجة الحرارة؟

مع زيادة درجة الحرارة اكثر تتفكك الجسيمات المتماسكة كالالكترونات والايونات الموجبة على النحو التالي:

  • عند درجة حرارة 8×109 كلفن تتولد ازواج من المادة والمادة المضادة مثل الالكترونات والبوزيترونات من التصادمات التي تحدث بين الجسيمات بعضها ببعض.
  • عند درجة حرارة 2×1010 كلفن تنفجر النواة وتحرر بروتونات ونيوترونات.
  • عند درجة حرارة 2×1012 كلفن تتلاشى البروتونات والنيوترونات وتتحول إلى جسيمات اولية التي تصنعها وهي الكواركات quarks والجلونات gluons.
  • عند درجة حرارة 2×1015 كلفن يتولد كل الجسيمات ومضاداتها بكميات ضخمة.

مع كل هذا الارتفاع في درجة الحرارة إلا انها ليست الحد الاقصى بعد. لكن يمكن ان نعتبرها درجة الحرارة الحرجة والتي قدرت بـ  2×1015 كلفن لانه بعدها يحدث شيء مثير اخر. بعد درجة الحرارة الحرجة هذه نبدأ في انتاج جسيمات بوزن هيجز Higgs boson، كما انه بعد درجة الحرارة الحرجة تلك تصبح كل الجسيمات عديمة الكتلة وتتحرك بسرعة الضوء.

هل هناك حد اقصى لدرجة الحرارة؟

لم ننتهي بعد، فزيادة درجة الحرارة النظام اكثر واكثر لن يعمل على اكسابه مزيدا من السرعة بل يصبح اكثر طاقة، تماما بنفس الطريقة التي يعمل بها الضوء حيث ان كامل الطيف الكهرومغناطيسي يمتلك نفس السرعة ولكن طاقته تزداد من امواج الراديو إلى الميكروويف وحتى اشعة اكس. فكلها تنطلق بسرعة الضوء لكنها بطاقات مختلفة.

قد تتخيل الان انه يمكننا ان نذهب بدرجة الحرارة اكثر فاكثر حتى نصل لدرجة حرارة لا نهائية وعندها تتولد جسيمات جديدة او تظهر لنا قوانين فيزياء جديدة. الا ان هذا التخيل غير ممكنا لثلاثة اسباب جوهرية وهي على النحو التالي:

(١) الطاقة المتوفرة في الكون محدودة. لو اخذنا كل شيء موجود في فضاء الزمكان من مادة ومادة مضادة واشعاع ونيوترينو ومادة مظلمة فهي تشكل طاقة هائلة جدا. هناك ما يقارب 1080 جسيم من المادة العادية وحوالي 1089 من النيوترينو ومضاده واكثر بقليل من الفوتونات وطاقة المادة المظلمة التي تنتشر في الكون الذي يقدر بمدى نصف قطره حوالي 46 مليار سنة ضوئية ونحن في مركزه. بادخال كل هذه الجسيمات في معادلة الطاقة لاينشتين E=mc2 واذا تخيلنا انه يمكن استخدامها بالكامل لتسخين النظام فلن نمتلك طاقة لا نهائية حيث تقدر بحوالي 10103 كلفن وهي ليست لا نهائية. اذا هل هناك حد اقصى لدرجة الحرارة يمكن ان نصل له. قبل الاجابة على هذا الامر هناك شيء يشكل عقبة امامنا…. سنوضحها في النقطة التالية.

هل هناك حد اقصى لدرجة الحرارة؟(٢) اذا وضعت مقدار كبير من الطاقة في منطقة محددة من الفراغ فانك تصنع ثقب اسود! قد تتصور ان الثقب الاسود يجب ان يكون ضخما جدا وكثيف وقادر على ابتلاع كواكب ومجرات. الا انه اذا اعطيت جسيمات طاقة كافية حتى لو كانت جسيمات عديمة الكتلة وتتحرك بسرعة الضوء فانها تتحول إلى ثقب اسود! وهنا لا تصبح جسيمات عادية تتفاعل بالطريقة المعادة للجسيمات وقدر العلماء طاقة الجسيمات في هذه الحالة تكافئ تحويل 22 ميكروجرام إلى طاقة تساوي 1019 جيجا الكترون فولت (1019GeV) وبعدها لن يرفض النظام اي زيادة في الحرارة. حيث تضمحل في الحال إلى مستوى من الطاقة المنخفضة مع انبعاث اشعاع حراري. ومن هنا نستنتج ان اقصى حد للطاقة الحرارية يمكن ان نصل له في الكون هو في هذا المقايس والذي يعرف باسم مقياس بلانك Planck Scale والذي يكافئ درجة حرارة تساوي تقريبا 1032 كلفن. وهذه درجة حرارة اقل قليلا من الحد السابق ليس لان الكون محدود ولكن لان الثقوب السوداء تشكل عائق امام زيادة درجة الحرارة اكثر من ذلك.

تجدر الاشارة ايضا إلى وجود عائق اخر لزيادة درجة الحرارة اكثر غير الثقوب السوداء …. تابع القراءة ….

هل هناك حد اقصى لدرجة الحرارة؟

(٣) من الممكن ان نصل بدرجة الحرارة إلى مرحلة التضخم الكوني والذي حدث خلال فترة زمنية قصيرة تلت الانفجار العظيم Big Bang.  فقبل الانفجار العظيم تعرض الكون إلى حالة تمدد بدالة اسية حتى توقف التضخم وحدث الانفجار العظيم. اذا تمكنا من الوصول إلى درجة حرارة كافية لارجاع حالة التضخم فانك كما لو ضغط على زر اعادة بدء مراحل نشأة الكون من التضخم الكوني إلى الانفجار العظيم! بالتأكيد هذا امر مستحيل ان نحققه او نصل له لانه لو تم بالفعل فان من يقوم بالتجربة سوف يختفي من الحياة وكل ما في الامر هو  تخيل ماذا يحدث لو اننا تمكنا من الوصول إلى درجات حرارة اعلى بدون تكون ثقوب سوداء تعيقنا! مع العلم ان تقدير الحسابات تخبرنا ان هذا يحدث في حدود 1028 إلى 1029 كلفن حسب حجم التضخم الناتج.

هذا يعطينا فكرة عن حد اقصى درجة حرارة بشكل منطقي ومقنع فيزيائيا واذا سالك اي شخص بعد ذلك تستطيع ان تجيبه بكل بثقة الفيزيائي المتمكن. كما تجدر الاشارة انه لا داعي من القلق من مصادم الهادرونات الكبير لان اقصى طاقة لاكبر معجل على الارض اقل بـ 100 مليار مرة من الوصول إلى ثقب اسود او حتى الوصول إلى حالة التضخم الكوني.

تعليقات

تعليقات

عن الدكتور حازم فلاح سكيك

د. حازم فلاح سكيك استاذ الفيزياء المشارك في قسم الفيزياء في جامعة الازهر - غزة | مؤسس شبكة الفيزياء التعليمية | واكاديمية الفيزياء للتعليم الالكتروني | ومنتدى الفيزياء التعليمي | ومركز الترجمة العلمي | وقناة الفيزياء التعليمي على اليوتيوب | ورئيس تحرير مجلة الفيزياء العصرية | Email [email protected]

تفضل بزيارة صفحتي
تصفح كل مقالاتي

أضف تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

Powered by themekiller.com