الحرارة ترتفع إلى مليار درجة مئوية بينما لاتتجاوز عتبة 273

قوانين الحرارة الأربعة

يتلخص كل شيء في الديناميكا الحرارية ودراسة الطاقة ودرجة الحرارة والسخونة والجهد وكيفية ارتباط بعضها ببعض. وقوانين الحرارة الأربعة (من الصفر إلى الثالث) أساسية جداً لدرجة أنها تظهر في تخصصات مختلفة تماماً. وقد كرس باحثون حياتهم في محاولة دحضها لكن عبثاً.

يؤكد القانون صفر أن درجة الحرارة عامل تجريبي مهم وأن التوازن الحراري هو علاقة انتقالية. لذلك إذا كان الجسم أ والجسم ب في حالة توازن حراري مع الجسم ج، فهما أيضاً في حالة توازن حراري مع بعضهما بعضاً. وهذا يعني أن موازين الحرارة طريقة دقيقة لقياس الأشياء، وإذا قال أحدهم إن حرارة الأمس بلغت X درجة ثم قال إن حرارة اليوم بلغت أيضاً X درجة، فهذا يعني أن كلا اليومين لهما درجة الحرارة نفسها.

وأحد المقارنات المفضلة لدى العلماء للقوانين الثلاثة الأخرى هو تصوير الكون على أنه طاولة قمار. والقانون الأول هو الحفاظ على الطاقة، وهو ما يعادل معرفة أنك ستخسر لا محالة على هذه الطاولة لأنك لا تستطيع صنع شيء من لا شيء. ويمنعك القانون الثاني من سحب الأوراق. لذا لا يوجد نظام فعال بنسبة 100% ويزداد القصور الحراري (الإنتروبيا) دائماً في نظام معزول.

أما القانون الثالث فيقول إنه لا يمكنك الانسحاب من الطاولة. ولا يمكنك اختيار عدم لعب هذه اللعبة. أنت تخضع لقوانين الديناميكا الحرارية أينما ذهبت، وتشير هذه القوانين إلى أن هناك أدنى درجة حرارة ممكنة، وهي الصفر المطلق.

الصفر المطلق

تنتج درجة حرارة الجسم أو المادة عن حركة جزيئاتهما. فكلما زادت سخونة الجزيئات زاد اهتزازها. وعندما تُزال الطاقة من أي نظام من خلال عمليات الديناميكا الحرارية (كما هو الحال في الثلاجة على سبيل المثال)، تتباطأ حركة الجزيئات.

وهنا يأتي دور الصفر المطلق، وهو نقطة تكون فيها الجزيئات ثابتة بلا حراك. ولا توجد طريقة لإبطائها أكثر من ذلك. ولا يمكن الوصول إلى درجة حرارة منخفضة أخرى.

وقيمة الصفر المطلق هي -273.15 درجة مئوية، أو ببساطة 0 كلفن في مقياس النظام الدولي للوحدات. وكسر الرقم القياسي لأبرد درجة حرارة حققت على الإطلاق منذ أكثر من عام بقليل مع تبريد بغاز الروبيديوم إلى 38 بيكوكلفن (3.8 * 10-11 كلفن)، وهذا مجرد جزء صغير فوق الصفر المطلق.

أعلى درجة حرارة في الكون

يحب البشر التناظر، لذا إذا كان هناك حد أدنى، فهل هناك أيضاً حد أعلى؟ الأمور ليست واضحة تماماً عندما يتعلق الأمر بمدى سخونة شيء ما. فأعلى درجة حرارة وصل إليها الباحثون في المختبر كانت 5 تريليون كلفن. وأُنشأت في مصادم الهادرونات الكبير، وهي تعادل درجة حرارة الكون بعد بضع لحظات من الانفجار العظيم.

لكن هل يمكننا أن نصل إلى درجة حرارة أعلى من ذلك؟ قد يكون الأمر ممكناً بالتأكيد. عندما يتعلق الأمر بفيزياء الحرارة الأكثر سخونة، لم يجد العلماء قانوناً صارماً مثل الصفر المطلق. والسخونة المطلقة لها احتمالات عديدة، فقد تكون أكثر سخونة بـ 10000 مرة مما حققناه في مصادمات الجسيمات على سبيل المثال. لكن لا يمكن عدّها حدّاً.

يعتمد الحد الوحيد الذي يمكن العثور عليه في الفيزياء على ما يسمى بمقياس بلانك. وتعتمد مجموعة وحدات القياس هذه حصرياً على الثوابت الفيزيائية وتميل إلى الإشارة إلى المكان الذي تتفكك فيه الفيزياء المعروفة. تعادل درجة حرارة بلانك 1.4 × 1032 كلفن، وهذا يعادل 100 مليار ضعف ما يمكنك الوصول إليه في مسرع الجسيمات. لكن العلماء لا يرون أن من الممكن أن ترتفع درجة الحرارة أكثر من ذلك، ولكن الحد الحقيقي قد يكون أقل من ذلك بكثير.