داغ‌ترین دمای ممکن در جهان چقدر است؟

بر اساس آنچه از جهانمان می‌دانیم، سردترین دمای جهان، صفر کلوین (مطلق) یا منفی ۲۷۳٫۱۵ درجه‌ی سانتی‌گراد است؛ اما داغ‌ترین دمای ممکن چقدر است؟ فیزیک درباره‌ی داغ‌ترین دمای موجود قدری ابهام دارد؛ اما از دیدگاه تئوری، چنین حدی حداقل زمانی وجود داشته است و دمای پلانک نامیده می‌شود. با این‌حال رسیدن به این دما کار ساده‌ای نیست.

در بحث‌های مربوط به دما اولین چیزی که به ذهن می‌رسد، تعریف گرمای درون یک شیء یا نبود گرما است. گرما یا انرژی حرارتی بخش مهمی از این تعریف به شمار می‌رود. بر اساس درک شهودی، گرما از منبعی با دمای بالاتر به منبعی با دمای پائین‌تر منتقل می‌شود و از این نظر مانند فنجان چایی در حال سردشدن است که می‌توان بخار آن را دید.

از نظر فیزیکی، انرژی گرمایی به معنی میانگینی از حرکت‌های تصادفی در یک سامانه است که معمولا این حرکت‌ها در بین ذراتی مثل اتم‌ها و مولکول‌ها دیده می‌شوند. برای مثال دو جسم با مقدار متفاوت انرژی گرمایی را به اندازه کافی کنار یکدیگر قرار دهید تا لمس شوند. در این شرایط است که حرکت‌های تصادفی با یکدیگر ترکیب می‌شوند تا زمانی که دو جسم به حالت موازنه برسند. گرما به‌عنوان شکلی از انرژی با واحد ژول اندازه‌گیری می‌شود.

از سوی دیگر، دما انتقال انرژی از بخش داغ‌تر به سردتر را حداقل از دیدگاه تئوری توصیف می‌کند. دما به‌عنوان یک مقیاس با واحدهایی مثل کلوین، سلسیوس (سانتی‌گراد) یا فارنهایت اندازه‌گیری می‌شود. شعله‌ی یک شمع می‌تواند در مقایسه با کوه یخ دمای زیادی داشته باشد، اما مقدار انرژی گرمایی محبوس در آن فتیله‌ی داغ‌شده تأثیر بر یک کوه یخ منجمد ندارد.

صفر مطلق یک دما است و درنتیجه مقیاسی برای انتقال نسبی انرژی حرارتی محسوب می‌شود. از نظر تئوری و قانون ترمودینامیک، در دمای صفر مطلق دیگر نمی‌توان انرژی گرمایی از سامانه حذف کرد. از نظر عملی، این نقطه‌ی دقیق به هیچ وجه دست‌یافتنی نیست. با این‌حال می‌توان تا حد زیادی به آن نزدیک شد. آنچه نیاز داریم روش‌هایی برای کاهش توزیع انرژی گرمایی در میان ذره‌های یک سامانه است و این کار را می‌توان به کمک لیزر یا نوع مناسبی از میدان مغناطیسی وارونه نمایش داد. اما درنهایت همیشه یک میانگین انرژی وجود دارد که باعث می‌شود دما کسری بالاتر از حد تئوری مقداری باشد که می‌توان استخراج کرد.

اگر صفر مطلق را حدی برای استخراج انرژی گرمایی از یک سامانه درنظر بگیریم، شاید بتوانیم حدی برای مقدار انرژی گرمایی ورودی به سامانه هم داشته باشیم. در واقع بر اساس دقت سامانه، حدهای مختلفی برای گرم کردن وجود دارند.

در یک سر طیف، دمای پلانک وجود دارد که هم‌ارز با ۳۲^۱۰*۱٫۱۴۱۷ کلوین است. این مقدار با عنوان داغ مطلق شناخته می‌شود. در جهانی کنونی حتی دمایی نزدیک به این دما پیدا نشده است، با این‌حال دمای پلانک در لحظه‌ی کوتاهی از آغاز جهان به وجود آمده است. در کسری از ثانیه یا در واقع یک واحد از زمان پلانک، وقتی ابعاد جهان تنها به یک پلانک می‌رسید، حرکت تصادفی مواد به قدری شدید بود که امکان رسیدن به چنین دمایی وجود داشت.

همچنین دستیابی به بیشترین دمای ممکن به برخی شرایط خاص نیاز دارد. فضا و زمان دیگر هرگز مثل شرایط حاکم در آغاز جهان محدود نخواهد شد. امروزه بیشترین دمایی که می‌تواند در جهان وجود داشته باشند، صرفا چند تریلیون درجه‌ی ناچیز است که هنگام کوبیدن اتم‌ها به یکدیگر در شتاب‌دهنده بدان دست پیدا می‌کنیم.

بااین‌حال روش دیگری برای نگاه‌کردن به گرما وجود دارد. انرژی حرارتی، میانگین حرکت در بین بخش‌های مختلف سیستم را توصیف می‌کند؛ بنابراین آنچه صرفا لازم داریم، این است که درصد کمی از ذرات به‌طور آشوبناک درحال پرواز باشند تا به عنوان «گرم» شناخته شوند.

چه اتفاقی رخ می‌دهد اگر این وضعیت را برعکس کنیم و ذرات چابک‌تری را نسبت به ذره‌های تنبل وارد سامانه کنیم؟ در فیزیک به این وضعیت توزیع معکوس مکسول-بولتزمن گفته می‌شود و به شکل عجیبی با مقادیر زیر صفر مطلق تعریف می‌شود. به نظر می‌رسد این سامانه‌ی عجیب قوانین فیزیکی را نقض می‌کند. بااینکه مقداری منفی در مقابل صفر مطلق به شمار می‌رود، در واقع از هر مقدار مثبتی داغ‌تر است.

البته چنین سامانه‌ای را قطعا نمی‌توان در طبیعت و گوشه کنار جهان پیدا کرد. برای تولید آن نیاز به انرژی بی‌نهایت داریم. البته تمام این‌ها به این معنی نیست که نمی‌توانیم قوانین را دور بزنیم و چیزی شبیه‌ آن بسازیم. برای مثال فیزیک‌دان‌های دانشگاه لودویک ماکسیمیلانز مونیخ و مؤسسه‌ی ماکس پلانک آلمان در سال ۲۰۱۳ با استفاده از گازهای اتمی در شرایطی خاص به کران‌های بالایی از انرژی دست یافتند.

نتایج این پژوهش سامانه‌ای پایدار از ذرات با مقدار زیادی انرژی جنبشی بود. به گونه‌ای که وارد کردن مقدار بیشتری انرژی به داخل آن عملی غیرممکن بود. تنها روش برای توصیف این ترکیب ویژه، استفاده از مقیاس دمایی بود که تا کلوین منفی یا چندین میلیونیوم درجه زیر صفر مطلق میل می‌کرد. چنین وضعیت عجیبی ازنظر تئوری انرژی را نه‌تنها از فضاهای داغ‌تر بلکه از فضاهای سرد هم جذب می‌کند و به‌این‌ترتیب به هیولای واقعی دماهای کرانی تبدیل می‌شود.