Theo những gì đã biết về vũ trụ của chúng ta, nhiệt độ lạnh nhất có thể đạt được là "độ 0 tuyệt đối" tức 0 độ K, hoặc -273,15 độ C. Nhưng còn nhiệt độ cao nhất thì sao? Vật lý vẫn còn khá mơ hồ về cái nóng tuyệt đối sẽ trông như thế nào. Về mặt lý thuyết, một thứ như vậy, ít nhất có thể đã từng tồn tại. Nó được gọi là nhiệt độ Planck. Nhưng tất cả những điều này không đơn giản để phân tích và hiểu.
Nhiệt độ theo cách hiểu thông thường và vật lý học
Nhiệt độ là sự mô tả về lượng nhiệt mà một vật thể chứa hoặc không chứa. Nhiệt, hay năng lượng nhiệt sẽ đóng góp một phần quan trọng trong giải thích. Những hiểu biết trực quan của chúng ta về nhiệt là nó đi từ nguồn có nhiệt độ cao hơn sang nguồn có nhiệt độ thấp hơn, giống như một tách trà nóng được làm nguội khi chúng ta thổi vào nó.
Còn trong vật lý, thuật ngữ "nhiệt năng" có thể mô tả như giá trị trung bình của các chuyển động ngẫu nhiên trong một hệ thống, thường là giữa các hạt như nguyên tử và phân tử. Nếu đặt hai vật có nhiệt năng khác nhau và đủ gần để chạm vào nhau, các chuyển động ngẫu nhiên sẽ kết hợp cho đến khi cả hai vật ở trạng thái cân bằng. Là một dạng năng lượng, nhiệt được đo bằng đơn vị J (Joule).
Bên cạnh đó, về lý thuyết, nhiệt độ mô tả sự truyền năng lượng từ vùng nóng hơn sang vùng lạnh hơn. Nó thường được mô tả như một thang đo, tính bằng các đơn vị như Kelvin, độ C hoặc độ F. Ngọn lửa của một ngọn nến, nếu so với một tảng băng tất nhiên sẽ có nhiệt độ cao hơn, nhưng lượng nhiệt năng được đốt nóng của nó sẽ không tạo ra nhiều khác biệt khi đặt trên đỉnh núi băng hay sông băng.
"Độ 0 tuyệt đối" là gì?
Độ 0 tuyệt đối là một điểm nhiệt độ, nó là một đơn vị đo sự truyền nhiệt năng tương đối. Nó đánh dấu một điểm trên thang nhiệt độ mà ở đó không thể loại bỏ nhiệt năng ra khỏi một hệ thống, theo các định luật nhiệt động lực học.
Trên thực tế thì điểm chính xác này sẽ mãi mãi "nằm ngoài tầm với" của khoa học. Mặc dù chúng ta có những cách để giảm lượng nhiệt năng trung bình lan truyền giữa các hạt của một hệ thống, có lẽ với sự trợ giúp của tia laze, hoặc loại từ trường lật ngược phù hợp. Tuy nhiên, luôn có một năng lượng tiêu hao trung bình sẽ khiến nhiệt độ cao hơn một phần nhỏ so với giới hạn lý thuyết của những gì có thể chiết xuất được.
Nhiệt độ nóng nhất có thể đạt được là bao nhiêu?
Nếu "độ 0 tuyệt đối" đặt ra giới hạn về việc kéo nhiệt năng từ một hệ thống, thì có thể lý do là cũng có giới hạn về lượng nhiệt năng mà chúng ta có thể đưa vào một hệ thống. Trên thực tế có một vài giới hạn, tùy thuộc vào loại hệ thống mà chúng ta có.
Ở một cực trị, sẽ có khái niệm về nhiệt độ tuyệt đối gọi là "nhiệt độ Planck" và tương đường với 1,417 x 10 mũ 32 Kelvin (141 triệu triệu triệu triệu triệu độ). Đây là những gì mọi người thường gọi là điểm tuyệt đối nóng. Không có gì trong Vũ trụ ngày này có thể đạt đến ngưỡng nhiệt độ này. nhưng có thể nó đã từng tồn tại trong một khoảnh khắc ngắn ngủi nào đó. Và trong tích tắc tính bằng phần giây đó - gọi là một đơn vị thời gian Planck - khi kích thước của Vũ trụ chỉ bằng một chiều dài Planck, chuyển động ngẫu nhiên của những gì bên trong nó ở mức cực đại mà nó có thể nhận được.
Nhưng nếu đã từng xảy ra thì chuyện đó cũng đã lâu rồi. Còn hiện tại, điều mà vũ trụ có thể tạo ra được chỉ là "vài nghìn tỷ độ nhỏ bé" mà chúng ta tạo ra khi buộc các nguyên tử va vào nhau trong một cỗ máy gọi là "collider".
Thứ ngược lại của độ 0 tuyệt đối
Có một cách khác để chúng ta có thể xem xét nhiệt độ và trả lời những câu hỏi về nhiệt độ. Trước hết, có thể thấy rằng nhiệt năng mô tả mức trung bình của các chuyển động giữa các thành phần của hệ thống. Tất cả những gì chúng ta cần là một tỷ lệ nhỏ các hạt của nó bay lộn xộn để đủ tiêu chuẩn là 'nóng'. Vậy điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta lật lại trạng thái này và có nhiều hạt linh hoạt hơn? Đó chính là cái mà vật lý học từng gọi là Maxwell-Boltzman đảo, và kỳ lạ là nó được mô tả bằng cách sử dụng các giá trị dưới "độ không tuyệt đối".
Hệ thống kỳ lạ này dường như bất chấp các quy tắc về vật lý. Các nhà khoa học không chỉ định lượng nó dưới dạng âm đến "độ 0 tuyệt đối", về mặt kỹ thuật, nó còn nóng hơn bất kỳ giá trị dương nào, hay "nóng hơn cả nóng".
Tuy nhiên, chúng ta sẽ không tìm thấy điểm nóng đó ở bất kỳ góc tự nhiên nào của Vũ trụ, vì nó đòi hỏi năng lượng vô hạn. Điều đó cũng có nghĩa rằng chúng ta không thể bẻ cong các quy tắc để tạo ra một cái gì đó tương tự. Điều này cũng được chứng minh bởi các nhà vật lý lượng tử, họ đã sử dụng khí nguyên tử trong những môi trường rất cụ thể, áp đặt giới hạn năng lượng trên của riêng mình. Kết quả là một hệ thống ổn định của các hạt với rất nhiều động năng, không thể chen chân vào được nữa. Cách duy nhất để mô tả sự sắp xếp cụ thể này là sử dụng thang nhiệt độ đi vào Kelvin âm, hoặc vài phần tỷ độ dưới không tuyệt đối.
Trạng thái kỳ lạ như vậy về lý thuyết có thể hấp thụ năng lượng nhiệt không chỉ từ những không gian nóng hơn mà còn từ những không gian lạnh hơn. Nó được xem như một con "quái vật" thực sự về nhiệt động.
Bạn cũng đừng quá buồn nếu không hiểu được hết đống vật lý này. Các nhà vật lý học giỏi nhất thế giới cũng mệt mỏi với chúng lắm đó 😁
