какая самая низкая возможная температура
Самая низкая температура и почему она не может упасть ниже абсолютного нуля?
Почему же так получается, что минимальная температура не может опуститься ниже указанного предела, в то время как максимальная температура может расти практически бесконечно?
Для того что бы ответить на данный вопрос, необходимо понять, что же такое температура, и из чего она образуется.
Температуру создают атомы своими колебаниями (движением). Чем быстрее это колебание и большая плотность атомов, тем выше температура.
У нас имеется два одинаковых куба, в каждом из которых, находятся молекулы воздуха, при этом, в одном кубе допустим 100 молекул, во втором кубе их 200 и двигаются они с одинаковой скоростью. Исходя из данных условий температура во втором кубе будет выше чем в первом.
С тем что такое температура, и что ее образует мы разобрались, теперь давайте разберемся с тем, почему температура не может опуститься ниже абсолютного нуля, но думаю вы уже и так все поняли.
Именно по этой причине температура не может опуститься ниже абсолютного нуля.
Поняв сказанное выше мы теперь легко можем понять, почему при повышении атмосферного давления, температура окружающей нас среды растет. Потому что при повышении давления плотность молекул воздуха возрастает, а при понижении падает.
Если вы разобрались со всем, что было сказано выше, то для вас не составит труда ответить на один простой вопрос:
Почему лист металла находясь на солнце становиться настолько горячим и может нас обжечь, при том, что воздух нас не обжигает?
Существует ли предел температуры?
Если вы изымете всю энергию из чего-нибудь, вы достигнете абсолютного ноля, самой низкой температуры во Вселенной (ну или почти абсолютного ноля, чем больше, тем лучше). Но какова самая высокая температура? «Ничто не пропадает. Все трансформируется», — говорил Майкл Энде. Думаю, очень многие задавались вопросом касательно самой высокой возможной температуры и не находили ответа. Если есть абсолютный ноль, должен быть и абсолютный… что?
Возьмем классический эксперимент: капнем пищевым красителем в воду с разной температурой. Что мы увидим? Чем выше температура воды, тем быстрее пищевой краситель распределяется по всему объему воды.
Почему так происходит? Потому что температура молекул непосредственно связана с кинетическим движением — и скоростью — участвующих частиц. Это значит, что в воде погорячее отдельные молекулы воды движутся с большей скоростью, и это значит, что частицы пищевого красителя быстрее будут транспортироваться в горячей воде, нежели в холодной.
Если бы вы остановили все это движение — довели все до идеального состояния отдыха (даже преодолели законы квантовой физики ради этого) — тогда вы достигли бы абсолютного ноля: самой холодной возможной термодинамической температуры.
Но как насчет движения в другую сторону? Если вы будете нагреваться систему частиц, очевидно, они будут двигаться все быстрее и быстрее. Но есть ли предел тому, как сильно вы сможете их нагреть, нет ли какой-нибудь катастрофы, которая помешает вам нагревать их после определенного предела?
При температуре в тысячи градусов тепло, которое вы передаете молекулам, начнет разрушать сами связи, которые удерживают молекулы вместе, и если вы будете продолжать увеличивать температуру, электроны начнут отделяться от самих атомов. Вы получите ионизированную плазму, состоящую из электронов и атомных ядер, в которой не будет нейтральных атомов вовсе.
Это еще в рамках разумного: у нас имеются отдельные частицы — электроны и положительные ионы — которые будут прыгать при высоких температурах, подчиняясь привычным законам физики. Вы можете повышать температуру и ждать продолжения.
При дальнейшем повышении температуры отдельные сущности, которые известны вам под «частицами», начинают разбиваться. Примерно при 8 миллиардах градусов (8 x 10^9), вы начнете спонтанно производить пары материи-антиматерии — электроны и позитроны — из сырой энергии столкновений частиц.
При 20 миллиардах градусов атомные ядра начнут спонтанно разрываться на отдельные протоны и нейтроны.
При 2 триллионах градусов протоны и нейтроны перестанут существовать, и появятся фундаментальные частицы, их составляющие — кварки и глюоны, их связи при таких высоких энергиях уже не выдерживают.
Примерно при 2 квадриллионах градусов вы начнете производить все известные частицы и античастицы в огромных количествах. Но и это не является верхним пределом. В этих пределах происходит много интересного. Видите ли, это та энергия, при которой вы можете произвести бозон Хиггса, а значит и та энергия, при которой вы можете восстановить одну из фундаментальных симметрий во Вселенной: симметрию, которая дает частице массу покоя.
Другими словами, как только вы нагреете систему до этого энергетического предела, вы обнаружите, что все ваши частицы теперь безмассовые и летают со скоростью света. То, что было для вас смесью материи, антиматерии и радиации, станет чистой радиацией (будет вести себя как она), оставаясь при этом материей, антиматерией или ни тем ни другим.
И это еще не конец. Вы можете нагревать систему до еще более высоких температур, и хотя быстрее двигаться в ней все не будет, оно будет преисполняться энергией, подобно тому как являются формой света радиоволны, микроволны, видимый свет и рентгеновские лучи (и все движутся со скоростью света), даже если обладают совершенно разной энергией.
Возможно, рождаются пока неизвестные нам частицы или проявляются новые законы (или симметрии) природы. Вы могли бы подумать, что достаточно просто нагревать и нагревать все до бесконечных энергией, чтобы это узнать, но не тут-то было. Есть три причины, почему это невозможно.
Но даже если бы вы превратили все это в чистую энергию (с помощью E = mc^2), и даже если бы вы использовали всю эту энергию для нагрева своей системы, вы не получили бы бесконечное количество энергии. Если заключить все это в единую систему, вы получите гигантское количество энергии, равное примерно температуре в 10^103 градуса, но и это еще не бесконечность. Получается, верхний предел остается. Но прежде чем вы до него доберетесь, у вас будет еще одно препятствие.
Дело в том, что если вы придадите отдельной квантовой частице достаточно энергии — даже если она будет безмассовой частицей, движущейся со скоростью света — она превратится в черную дыру. Есть масштаб, на котором просто иметь что-то с определенным количеством энергии, будет означать, что частицы не будут взаимодействовать как обычно, и если вы получите частицы с такой энергией, эквивалентной 22 микрограммам по формуле E = mc^2, вы сможете набрать энергию в 10^19 ГэВ, прежде чем ваша система откажется становиться горячее. У вас начнут появляться черные дыры, которые будут моментально распадаться до состояния низкоэнергетической термальной радиации. Получается, этот энергетический предел — планковский предел — является верхним для Вселенной и соответствует температуре в 10^32 кельвина.
Это намного ниже предыдущего предела, поскольку не только сама Вселенная конечна, но и черные дыры выступают сдерживающим фактором. Впрочем, это не все: есть ограничение и пуще.
Получается, вы можете легко набрать очень высокие температуры. Хотя физические явления, к которым вы привыкли, будут отличаться в деталях, вы по-прежнему сможете набирать температуры выше и выше, но только до точки, после которой все, что вам дорого, будет уничтожено. Но не бойтесь Большого адронного коллайдера. Даже на самом мощном ускорителе частиц на Земле мы достигаем энергий, которые в 100 миллиардов раз ниже, чем необходимые для вселенского апокалипсиса.
Самая низкая температура на Земле и во Вселенной
Самое холодное место в Солнечной системе
Казалось бы, если мы будем удаляться от Солнца всё дальше, то будем находить места всё более холодные. Но это не так – на Плутоне, например, «теплее» — «всего» — 223C.
Самое холодное место в Солнечной системе находится на Луне. Инфракрасный снимок LRO. Самое тёмное место — самое холодное.
Видео
Диапазон температур Земли
Самый небольшой температурный перепад приземного воздуха наблюдается в экваториальных районах Мирового океана. Так на острове Рождества, который находится в центральной экваториальной части Тихого океана сезонные температурные перепады ограничены диапазоном 19-34 градусов Цельсия. Впрочем, считается, что самый ровный климат наблюдается в местечке Гарапан на острове Сайпан (Мариинские острова). В течение 9 лет с 1927 по 1935 г. самая низкая температура здесь была зарегистрирована 30 января 1934 г. (+19.6°С), а самая высокая — 9 сентября 1931 г. (+31,4°С), что дает перепад 11,8°С.
Поверхностная температура Земли отличается ещё экстремальными значениями в связи с тем, что темная поверхность днем может прогреваться до значительно более высоких температур по сравнению с воздухом. В долине Смерти (Калифорния) 15 июля 1972 года регистрировалось +93.9°C. Вероятно такие высокие поверхностные температуры могут вызывать в условиях сильного ветра аномальные кратковременные всплески температуры воздуха (в июле 1967 году в иранском Абадане был зарегистрирован резкий рост температуры воздуха до +87.7°С).
Какая температура в космосе?
В космосе температура держится выше абсолютного нуля за счет радиации, которая осталась после Большого взрыва. Хотя космос очень холодный по нашим меркам, интересно отметить, что одной из важнейших проблем, с которыми сталкиваются космонавты в космосе, является жара.
Голый металл, из которого сделаны объекты, находящиеся на орбите, может нагреваться до 260 градусов Цельсия из-за свободных солнечных лучей. Чтобы понизить температуру кораблей, их нужно обертывать в специальный материал, который может понизить температуру только в 2 раза.
Температура открытого космоса тем не менее постоянно падает. Теории об этом появились уже давно, однако только недавние измерения подтвердили, что Вселенная охлаждается примерно на 1 градус каждые 3 миллиарда лет.
Температура космоса будет приближаться к абсолютному нулю, однако никогда его не достигнет. Температура на Земле не зависит от той температуры, которая сегодня имеется в космосе, и мы знаем, что наша планета последнее время постепенно нагревается.
Рекорды холода на других континентах
Холодный космос
Вселенная – удивительное место. Многое в космосе еще не исследовано. Но даже сейчас ученые могут рассказать о климате Вселенной и ее максимально холодных территориях. Температура в облаках молекул, содержащихся в пределах галактик, колеблется в промежутке от 10 до 20 К. Такие значения приближаются к абсолютному нолю по шкале Кельвина, ниже которого термометр не опускается. Ничего холоднее в пределах галактик не существует.
Расстояния между галактиками очень большие, поэтому тепло от звезд до межгалактических пространств не доходит. Эти пространства содержат реликтовое излучение, сохранившееся со времен рождения Вселенной, температура которого определяет показатели t межгалактических пространств. В настоящее время она не опускается ниже 2,725 К. Когда Вселенная постареет еще на 13 млрд лет реликтовое излучение похолодеет до 1 К.
Но даже сейчас обнаружена более холодная территория. Она находится в 5000 световых лет от Земли в туманности Бумеранг. Температура в этом месте равняется всего лишь 0,5 К. Как такое возможно? Дело в том, что звезда, находящаяся в центре туманности, умерла.
Когда звезды погибают, они сбрасывают периферийное вещество, именуемое препланетарной туманностью, после чего вещество превращается в планетарную туманность. При соблюдении ряда условий в таком образовании становится невероятно холодно. Это объясняется тем, что скорость выброса вещества в звезде очень большая, при таких показателях энергия молекул улетучивается очень быстро.
Температура нашей Вселенной во время Большого взрыва
В будущем температура реликтового излучения будет продолжать уменьшаться. А какая была температура нашей Вселенной во время Большого взрыва? Теория утверждает, что на 5×10−44 секунде Большого взрыва температура нашей Вселенной была равна температуре Планка. Её примерное значение равно 1.4х1032 K, и оно характеризует один из фундаментальных пределов в квантовой механике. Современная физическая теория не способна описать что-либо с более высокой температурой из-за отсутствия в ней разработанной квантовой теории гравитации. Выше планковской температуры энергия частиц становится настолько большой, что гравитационные силы между ними становятся сравнимы с остальными фундаментальными взаимодействиями.
Среднегодовая температура
Температура поверхности Земли
По международной методике измерения должны происходить на двухметровой высоте от поверхности земли в специальной метеорологической будке, удаленной от антропогенного ландшафта. Среднегодовая температура приземного воздуха на поверхности Земли равна +14°С. В то же время в отдельных частях планеты температура приземного воздуха сильно отличается от этого значения по причине разного времени года или суток, различной географической широты, удаления от океана, высоты над средним уровнем моря и близости к вулканическим областям.
Температура среды обитания человека
Некоторые народы живут в весьма экстремальных условиях и необычных местах, не совсем удобных для жизни. Например, одни их самых холодных населенных пунктов – поселок Оймякон и город Верхноянск в Якутии, Россия. Температура зимой тут в среднем составляет минус 45 градусов Цельсия.
© vili45
Самый холодный более крупный город тоже находится в Сибири – Якутск с населением около 270 тысяч человек. Температура зимой там составляется также около минус 45 градусов, а вот летом может подниматься до 30 градусов!
Самая высокая среднегодовая температура была замечена в оставленном городе Даллол, Эфиопия. В 1960-х годах тут зафиксировали средний показатель температуры — 34 градуса Цельсия выше нуля. Среди крупных городов самым жарким считается город Бангкок, столица Таиланда, где средняя температура составляет в марте-мае также около 34 градусов.
Самая экстремально высокая температура, где работают люди, замечена в золотых шахтах Mponeng в Южной Африке. Температура на уровне около 3 километров под землей составляет плюс 65 градусов Цельсия. Предпринимаются меры для охлаждения шахт, например, используют лед или изолирующие покрытия для стен, чтобы шахтеры могли работать без перегревания.
Статистика частиц космических лучей по энергиям
Кроме того в Аргентине с 2008 года работает Pierre Auger Observatory, состоящая из 1600 детекторов размещенных на площади 3 тысяч км2. На 2015 год максимальная зарегистрированная энергия частиц была заключена между 1×10 20 eV и 2×10 20 eV.
Достигнута самая низкая температура из когда-либо зарегистрированных
Физики в Германии получили самую низкую из когда-либо зарегистрированных температур: 38 триллионных долей градуса выше абсолютного нуля. Эксперимент заключался в том, чтобы создать квантовый газ и включить и выключить магнитное поле, чтобы его атомы почти полностью остановились.
Но ученые постоянно подходят к этому довольно близко — несколько лет назад команда исследователей Гарварда изучала самую холодную химическую реакцию при температуре 500 нанокельвинов, или 500 миллионных долей градуса выше абсолютного нуля. А на борту Международной космической станции провели эксперименты при температуре всего 100 нанокельвинов.
Но эти температуры высоки по сравнению с результатами нового исследования. Немецкая команда зафиксировала эффективную температуру всего в 38 пикокельвинов, или 38 триллионных долей градуса выше абсолютного нуля.
Для этого исследователи начали с облака из 100 000 атомов рубидия, захваченных магнитным полем в вакуумной камере. Затем они охладили его, чтобы сформировать квантовый газ, называемый конденсатом Бозе-Эйнштейна (БЭК), в котором атомы начинают действовать по существу как один большой атом, позволяя странным квантовым эффектам стать видимыми в макроуровне.
Однако при двух миллиардных градусах выше абсолютного нуля это было недостаточно. Поэтому ученые провели эксперимент в исследовательском центре Bremen Drop Tower, сбросив ловушку с БЭК с высоты 120 метров. Во время свободного падения ученые неоднократно выключали и включали магнитное поле, содержащее газ.
Когда магнитное поле выключено, газ начинает расширяться, а когда оно снова включается, газ снова вынужден сжиматься. Это переключение замедляет расширение газа почти до полной остановки, а уменьшение этой молекулярной скорости эффективно снижает температуру.
Хотя в ходе эксперимента удалось достичь этой рекордной температуры только в течение двух секунд, моделирование показало, что ее можно поддерживать до 17 секунд в условиях невесомости, например, на борту спутника или МКС.
Новое в блогах
Интересные факты о температуре
Температура – одно из фундаментальных понятий в физике, она играет огромную роль в том, что касается земной жизни любых форм. При очень высоких или очень низких температурах различные вещи могут вести себя очень странно. Предлагаем вам узнать о ряде интересных фактов, связанных с температурами.
Какая температура самая высокая?
Самая высокая температура, которую создал человек, составила 4 миллиарда градусов Цельсия. Трудно поверить, что температура вещества может достичь такого невероятного уровня! Эта температурав 250 раз выше температуры ядра Солнца.
Ученые заставили столкнуться ионы золота, пытаясь воспроизвести условия Большого взрыва, создав кварк-глюонную плазму. В таком состоянии частицы, которые составляют ядра атомов – протоны и нейтроны, разбиваются, в результате чего получается “суп” из конституэнтных кварков.
Экстремальная температура в Солнечной системе
Температура среды в Солнечной системе отличается от той, к которой мы привыкли на Земле. Наша звезда Солнце невероятно горячая. В ее центре температура составляет около 15 миллионов Кельвинов, а поверхность Солнца имеет температуру всего около 5700 Кельвинов.
Температура в ядре нашей планеты составляет примерно столько же, сколько температура поверхности Солнца. Самая горячая планета Солнечной системы – Юпитер, температура ядра которого в 5 раз выше, чем температура поверхности Солнца.
Самая холодная температура в нашей системе зафиксирована на Луне: в некоторых кратерах в тени температура составляет всего 30 Кельвинов выше абсолютного нуля. Эта температура ниже, чем температура Плутона!
Температура среды обитания человека
Некоторые народы живут в весьма экстремальных условиях и необычных местах, не совсем удобных для жизни. Например, одни их самых холодных населенных пунктов – поселок Оймякон и город Верхноянск в Якутии, Россия. Температура зимой тут в среднем составляет минус 45 градусов Цельсия.
Самый холодный более крупный город тоже находится в Сибири – Якутск с населением около 270 тысяч человек. Температура зимой там составляется также около минус 45 градусов, а вот летом может подниматься до 30 градусов!
Самая экстремально высокая температура, где работают люди, замечена в золотых шахтах Mponeng в Южной Африке. Температура на уровне около 3 километров под землей составляет плюс 65 градусов Цельсия. Предпринимаются меры для охлаждения шахт, например, используют лед или изолирующие покрытия для стен, чтобы шахтеры могли работать без перегревания.
Какая температура самая низкая?
В попытках получить самую низкую температуру, ученые столкнулись с рядом важных для науки вещей. Человеку удалось получить самые холодные вещи во Вселенной, которые намного холоднее, чем любая вещь, созданная природой и космосом.
При таких температурах материал ведет себя вовсе не так, как при обычных условиях.
Какая температура в космосе?
Если вы, к примеру, возьмете в открытый космос термометр и оставите его там на некоторое время в месте, далеком от источника радиации, вы можете заметить, что он показывает температуру 2,73 Кельвина или около минус 270 градусов Цельсия. Это самая низкая естественная температура во Вселенной.
В космосе температура держится выше абсолютного нуля за счет радиации, которая осталась после Большого взрыва. Хотя космос очень холодный по нашим меркам, интересно отметить, что одной из важнейших проблем, с которыми сталкиваются космонавты в космосе, является жара.
Голый металл, из которого сделаны объекты, находящиеся на орбите, может нагреваться до 260 градусов Цельсия из-за свободных солнечных лучей. Чтобы понизить температуру кораблей, их нужно обертывать в специальный материал, который может понизить температуру только в 2 раза.
Температура открытого космоса тем не менее постоянно падает. Теории об этом появились уже давно, однако только недавние измерения подтвердили, что Вселенная охлаждается примерно на 1 градус каждые 3 миллиарда лет.
Температура космоса будет приближаться к абсолютному нулю, однако никогда его не достигнет.Температура на Земле не зависит от той температуры, которая сегодня имеется в космосе, и мы знаем, что наша планета последнее время постепенно нагревается.
Что такое теплород?
Тепло – механическое свойство материала. Чем горячее объект, тем больше энергии имеют его частицы во время движения. Атомы веществ в горячем твердом состоянии вибрируют быстрее, чем атомы тех же, но охлажденных веществ.
Будет ли вещество оставаться в жидком или газообразном состоянии зависит от того, до какой температуры его нагреть. Сегодня об этом знает любой школьник, однако до 19-го столетия ученые полагали, что тепло само по себе является субстанцией – невесомым флюидом, названным теплород.
Ученые считали, что этот флюид испарялся из теплого материала, таким образом, охлаждая его. Он может перетекать из горячих объектов в холодные. Многие прогнозы, основанные на этой теории, на самом деле верны. Несмотря на заблуждения по поводу тепла, были сделаны многие действительно правильные выводы и научные открытия. Теория теплорода была окончательно побеждена в конце 19-го века.
Существует ли самая высокая температура?
Абсолютный ноль – температура, ниже которой невозможно опуститься. А какая температура самая высокая из возможных? Наука пока точно ответить на этот вопрос не может.
Самой высокой температурой называют Планковскую температуру. Именно эта температура была во Вселенной в момент Большого взрыва, согласно представлениям современной науки. Эта температура равна 10^32 Кельвинов.
Для сравнения: если вы можете представить, эта температура в миллиарды раз больше самой высокой температуры, полученной искусственно человеком, о которой упоминалось ранее.
Согласно стандартной модели, Планковская температура пока остается самой высокой температурой из возможных. Если существует что-то еще более горячее, то привычные нам законы физики перестанут работать.
Есть предположения, что температура может подняться еще выше этого уровня, но что произойдет в таком случае, наука объяснить не может. В нашей модели реальности что-либо более горячее существовать не сможет. Может быть, реальность станет другой?