C’è una temperatura massima?

Non può essere più fredda di -273,15 gradi Celsius (0 Kelvin, -459,67 Fahrenheit). La ragione che la fisica dà per questo è che la temperatura è una misura dell’energia cinetica delle particelle, cioè ci dice qualcosa sulla loro velocità di movimento. Quando tutto il movimento si ferma, abbiamo raggiunto il minimo della scala di temperatura, che per definizione è 0. Ma esiste anche una temperatura massima? Si potrebbe supporre di sì, perché non c’è solo una velocità minima (0), ma anche una velocità massima (la velocità della luce c). Ma allora non è così semplice, perché l’energia delle particelle di massa, che si avvicinano a c, va verso l’infinito. Quindi anche la loro temperatura sarebbe infinita.

Quindi cominciamo meglio da zone conosciute. L’acqua evapora a pressione normale a 100 gradi Celsius (211 F). A 5930 gradi Celsius (10.700 F) bolle il tungsteno, il metallo con il punto di ebollizione più alto (200 gradi più caldo che alla superficie del sole). Quindi, a più di 6000 gradi Celsius (10.830 F) e pressione normale, la materia solida o liquida non esiste più (ad alta pressione è un’altra storia). Se si riscalda ulteriormente, gli atomi perdono i loro elettroni e diventano ioni formando il plasma, il quarto stato della materia. Nel nucleo del sole è caldo oltre 15 milioni di Kelvin (27 milioni di F). Una supernova raggiunge circa 10 miliardi di gradi Kelvin (18 miliardi di F).

Ma non è la fine. Se si continua ad aggiungere calore, il plasma riscaldato finirà per raggiungere la temperatura di Hagedorn, che è di 1,7 trilioni (1012) Kelvin. Qui succede qualcosa di strano: la temperatura non sale ulteriormente all’inizio, proprio come la temperatura non sale più quando l’acqua bolle. Ma la causa è diversa: A questo enorme calore, c’è così tanta energia che le combinazioni quark-antiquark possono essere create dal nulla. La loro produzione da un lato inghiotte una parte dell’energia fornita, ma porta anche al fatto che il sistema ottiene nuovi gradi di libertà, che possono anche assorbire energia. Tutti gli adroni (particelle elementari fatte di quark) si dissolvono nei loro componenti e nuotano insieme alla loro colla, i gluoni, e molti quark aggiunti dal nulla in un brodo ultra-caldo, il plasma di quark-gluoni. In laboratorio (cioè negli acceleratori di particelle) si raggiungono oggi regolarmente temperature di diversi trilioni di Kelvin.

Ma anche questa zuppa di quark-gluoni può essere riscaldata ulteriormente – al più tardi, quando non c’è più spazio sufficiente per aggiungere nuovi quark, perché i quark non sono puntiformi, ma occupano un certo spazio (anche se è molto piccolo). Ora la strada è lunga fino al prossimo limite. Questo è dato dalla teoria delle stringhe, che presuppone che tutta la materia sia costituita da stringhe vibranti. Queste si estendono su più delle nostre quattro dimensioni conosciute – fino a 21 dimensioni in totale. La ragione per cui non ci accorgiamo di queste dimensioni aggiuntive è che sono “arrotolate” in dimensioni minuscole, la cui rilevazione non è ancora possibile per noi oggi.

Ma ci sono fisici che sospettano qualcos’altro: le dimensioni extra potrebbero anche essere molto grandi, in modo che si trovano solo ad alte energie (e temperature). Se si raggiungessero queste temperature, tutte le forze fondamentali si unirebbero ad una sola. Questo dovrebbe accadere allora a circa 100 quadrilioni di gradi (1017) che sono quasi tangibili nell’acceleratore di particelle oggi. Questo è esattamente il motivo per cui non sembra buono per questa teoria. Finora non ha potuto essere confermata nell’esperimento, al contrario, i ricercatori potrebbero già escludere alcune versioni della teoria.

Ma questo lascia in gioco la teoria delle stringhe con piccole dimensioni extra. Porterebbe all’unificazione di tutte le forze fondamentali a circa 1030 Kelvin. Con essa si trova però ancora un pezzo sotto la temperatura di Planck di 1032 Kelvin (un 1 con 32 zeri) che deve aver prevalso poco prima del big bang nell’universo.

È dunque questa la temperatura più alta? In questo universo forse, ma nell’universo accanto con le sue costanti fisiche completamente diverse può apparire diversamente.

Leave a Comment

Il tuo indirizzo email non sarà pubblicato.

BrandonQMorris
  • BrandonQMorris
  • Brandon Q. Morris è un fisico e uno specialista dello spazio. Si è occupato a lungo di questioni spaziali, sia professionalmente che privatamente, e mentre voleva diventare un astronauta, è dovuto rimanere sulla Terra per una serie di motivi. È particolarmente affascinato dal "what if" e attraverso i suoi libri mira a condividere storie avvincenti di hard science fiction che potrebbero realmente accadere, e un giorno potrebbero accadere. Morris è l'autore di diversi romanzi di fantascienza best-seller, tra cui The Enceladus Series.

    Brandon è un orgoglioso membro della Science Fiction and Fantasy Writers of America e della Mars Society.