حُددت أبرد درجة حرارة ممكنة (مما نعرفه عن كوننا) بأنها الصفر "المطلق" كلفن، أو -273.15 درجة مئوية (-459.67 درجة فهرنهايت). ولكن ماذا عن أعلى درجة حرارة ممكنة؟.
تبدو الفيزياء غامضة بعض الشيء فيما يتعلق بالشكل المطلق للحرارة، ولكن من الناحية النظرية، يوجد شيء كهذا - أو على الأقل كان موجودا - مرة واحدة. إنها تسمى درجة حرارة بلانك، ولكن، كما هو الحال مع كل شيء في الحياة، فهي أيضا ليست بهذه البساطة.
ما هي درجة الحرارة، على أي حال؟
قد يكون أول ما يتبادر إلى الذهن عند التفكير في درجة الحرارة هو وصف كمية الحرارة التي يحتويها الجسم. والحرارة، أو الطاقة الحرارية، جزء مهم من التفسير. إن فهمنا البديهي للحرارة هو أنها تتدفق من مصادر ذات درجات حرارة أعلى إلى درجات الحرارة المنخفضة، مثل تبخير فنجان من الشاي عندما ننفث فيه.
ومن الناحية الفيزيائية، تشبه الطاقة الحرارية متوسط ​​الحركات العشوائية في نظام ما، عادة بين الجسيمات مثل الذرات والجزيئات. ضع جسمين بكميات متفاوتة من الطاقة الحرارية بالقرب من بعضها بما يكفي للمس، وستتحد الحركات العشوائية حتى يتوازن كلا الجسمين. وكشكل من أشكال الطاقة، تقاس الحرارة بوحدات الجول.
ومن ناحية أخرى، تصف درجة الحرارة انتقال الطاقة من المناطق الأكثر سخونة إلى المناطق الباردة، من الناحية النظرية على الأقل. ويتم وصفه عادة على أنه مقياس بوحدات مثل كلفن أو درجة مئوية أو فهرنهايت. وقد يكون لهب الشمعة درجة حرارة عالية مقارنة بجبل جليدي، لكن كمية الطاقة الحرارية في فتيلها المسخن لن تحدث فرقا كبيرا عند وضعها على جبل الماء المتجمد.
ما هو بالضبط الصفر المطلق، إذن؟
الصفر المطلق هو درجة الحرارة، لذا فهو مقياس للانتقال النسبي للطاقة الحرارية. ومن الناحية النظرية، يشير إلى نقطة على مقياس درجة الحرارة حيث لا يمكن إزالة المزيد من الطاقة الحرارية من النظام، وذلك بفضل قوانين الديناميكا الحرارية.
ومن الناحية العملية، هذه النقطة الدقيقة بعيدة المنال إلى الأبد. لكن يمكننا أن نقترب بشكل مثير للإعجاب: كل ما نحتاجه هو طرق لتقليل متوسط ​​كمية الطاقة الحرارية المنتشرة بين جزيئات النظام، ربما بمساعدة الليزر، أو النوع الصحيح من المجال المغناطيسي المتقلب.
لكن في النهاية، هناك دائما متوسط ​​للطاقة من شأنه أن يترك درجة الحرارة أعلى من الحد النظري لما يمكن استخراجه.
ما هي أعلى درجة حرارة ممكنة؟
إذا وضع الصفر المطلق حدا لسحب الطاقة الحرارية من نظام ما، فقد يكون من المنطقي أن يكون هناك أيضا حد لمقدار الطاقة الحرارية التي يمكننا دفعها في واحد. وفي الواقع، هناك حدان، اعتمادا على نوع النظام الذي نتحدث عنه بالضبط.
وفي أحد الطرفين، هناك شيء يسمى درجة حرارة بلانك، وهو ما يعادل 1.417 × 1032 كلفن (أو ما يعادل 141 مليون مليون مليون مليون مليون درجة). وهذا غالبا ما يشير إليه الناس على أنه "الساخن المطلق". ولا شيء في عالم اليوم يقترب من هذه الأنواع من درجات الحرارة، لكنه كان موجودا لفترة وجيزة في فجر التاريخ. وفي هذا الجزء من الثانية - وحدة واحدة من وقت بلانك، في الواقع - عندما كان حجم الكون يبلغ طول بلانك واحدا، كانت الحركة العشوائية لمحتوياته في أقصى الحدود الممكنة.
وأي سخونة، وقوى مثل الكهرومغناطيسية والقوى النووية ستكون على قدم المساواة مع قوة الجاذبية. إن شرح ما يبدو عليه هذا يتطلب فيزياء لا نملك السيطرة عليها حتى الآن، وهو ما يوحد ما نعرفه عن ميكانيكا الكم مع نظرية النسبية العامة لأينشتاين.
وهذه أيضا بعض الشروط المحددة جدا. لن يتم تقييد الزمان والمكان مرة أخرى. اليوم أفضل ما يمكن للكون إدارته هو بضع تريليونات درجة تافهة نخلقها عندما نحطم الذرات معا في مصادم.
عكس الصفر المطلق
لكن هناك طريقة أخرى للنظر إلى الحرارة، طريقة تقلب مسألة درجة الحرارة برمتها رأسا على عقب. ضع في اعتبارك أن الطاقة الحرارية تصف متوسط ​​الحركات بين أجزاء النظام. وكل ما يتطلبه الأمر هو أن تحلق نسبة مئوية صغيرة من جزيئاتها بشكل عشوائي لتتأهل لتكون "ساخنة".
إذن ماذا يحدث إذا قلبنا هذه الحالة وكان لدينا جزيئات رشاشة أكثر بكثير من الجسيمات البطيئة؟. إنه ما يسميه الفيزيائيون توزيع ماكسويل-بولتزمان المقلوب، والغريب أنه موصوف باستخدام قيم تقل عن الصفر المطلق.
ويبدو أن هذا النظام الغريب يتخلص من كتاب القواعد في الفيزياء. ولا نحسبه كميا على أنه من سالب إلى الصفر المطلق فحسب، بل إنه أسخن تقنيا من أي قيمة موجبة. أكثر سخونة حرفيا من الساخنة.
وكمنصة إحصائية، فهي ليست شيئا نجده في أي زاوية طبيعية للكون. ولسبب واحد، أنها تتطلب كمية لا حصر لها من الطاقة، ثم بعضها.
وهذا لا يعني أننا لا نستطيع أن نثني القواعد قليلا ونصنع شيئا مثل ذلك. وفي عام 2013 تم عرضه من قبل الفيزيائيين في جامعة لودفيج ماكسيميليان في ميونخ ومعهد ماكس بلانك للبصريات الكمية في ألمانيا؛ لقد استخدموا الغازات الذرية في ظروف محددة للغاية، والتي تفرض حدود طاقتهم العليا.
وكانت النتائج عبارة عن نظام مستقر من الجسيمات مع قدر كبير من الطاقة الحركية، وأصبح من المستحيل دفعها مرة أخرى. والطريقة الوحيدة لوصف هذا الترتيب المعين كانت باستخدام مقياس درجة حرارة يتجه إلى سالب كلفن، أو عدة أجزاء من المليار من الدرجة أدناه الصفر المطلق.
ويمكن لمثل هذه الحالة الغريبة من الناحية النظرية أن تمتص الطاقة الحرارية ليس فقط من المساحات الأكثر سخونة، ولكن أيضا من الأماكن الأكثر برودة، ما يجعلها وحشا حقيقيا لدرجات الحرارة القصوى.
وفي هذه الزاوية الشيطانية من الكون، يمكن للآلة أن تبتعد بكفاءة تزيد عن 100% لأنها تتغذى من الحرارة والبرودة على حد سواء، ويبدو أنها تتلاعب بقوانين الديناميكا الحرارية.