الحرارة من المفاهيم الأساسية التي تواصل إدهاشنا رغم تعاملنا اليومي معها، ولا يقتصر ذلك على غير الخبراء. ظلت الحرارة مفهومًا علميًا مهمًا على مدار قرون، ولِفهم حدودها تأثيرٌ يتجاوز حدود العلم الصرف.
يلخص علم الديناميكا الحرارية الأمر، وهو العلم الذي يدرس الطاقة والحرارة والسخونة والشغل والترابط بين هذه المفاهيم. القوانين الأربعة للديناميكا الحرارية أساسية جدًا حتى أنها تظهر في مجالات مختلفة تمامًا. وقد كرس البعض حياتهم لمحاولة كشف أسرارها.
يؤكد القانون الصفري للديناميكا الحرارية أن الحرارة معيار تجريبي مهم، وأن التوازن الحراري علاقة انتقالية. إذا كان جسمان في حالة توازن حراري مع جسم ثالث فهما في حالة توازن حراري معًا. يعني هذا أن مقاييس الحرارة طريقة دقيقة لقياس الأشياء. إن قلنا إن درجة الحرارة أمس كانت «س» درجة، ودرجة الحرارة اليوم تساوي «س» أيضًا، فيعني ذلك أن درجة الحرارة في اليومين متماثلة.
من التشبيهات المفضلة للقوانين الثلاثة الأخرى للديناميكا الحرارية تخيل الكون مثل طاولة لألعاب الورق. القانون الأول للديناميكا الحرارية -قانون حفظ الطاقة- يعني أننا لا نستطيع الفوز على الطاولة بخلق شيء من العدم. القانون الثاني -الإنتروبيا- يخبرنا أننا لا نستطيع الانسحاب، إذ لا يوجد نظام تبلغ كفاءته 100%، فالإنتروبيا تزداد دائمًا في نظام معزول. لذلك فإن الآلات دائمة الحركة أمر مستحيل التحقق عمليًا.
يخبرنا القانون الثالث أننا لا نستطيع مغادرة الطاولة. لا يمكننا أن نختار عدم اللعب فنحن خاضعون لقوانين الديناميكا الحرارية أينما ذهبنا. يحدد هذا القانون أدنى درجة حرارة ممكنة: الصفر المطلق.
ما الصفر المطلق؟
ترتبط حرارة جسم ما بحركة جزيئاته، كلما زادت حرارة الجسم زاد اهتزاز الجزيئات. مع نفاد الطاقة من النظام من خلال عمليات الديناميكا الحرارية -كما في الثلاجة مثلًا- تتباطأ حركة الجزيئات.
عند نقطة معينة تكون الجزيئات ساكنة تمامًا دون حركة، أي يستحيل إبطاؤها أكثر من ذلك، يعني ذلك أننا بلغنا أدنى درجة حرارة ممكنة. ذلك هو الصفر المطلق.
تبلغ قيمة الصفر المطلق -273.15 درجة مئوية، وتعادل صفر كلفن على مقياس النظام الدولي للوحدات. أدنى درجة حرارة وصلنا إليها عمليًا سُجلت عام 2021، بتبريد غاز الروبيديوم إلى 38 بيكوكلفن، أعلى من الصفر المطلق بأجزاء دقيقة من الدرجة.
ما أعلى حرارة في الكون؟
يحب البشر التناسق، لذلك نتوقع أن وجود حد أدنى لدرجة الحرارة يعني وجود حد أقصى أيضًا، لكن ليس الأمر بهذا الوضوح. بلغت أقصى درجة حرارة سُجلت في المختبر 5 تريليون كلفن. وقد حُققت في مصادم الهادرونات الكبير، وهي تعادل حرارة الكون بعد لحظات من الانفجار العظيم.
هل يمكن تجاوز هذه الدرجة؟ نظريًا ذلك ممكن. عندما يتعلق الأمر بفيزياء الحرارة الأعلى، لم نتوصل إلى وجود درجة حرارة تقابل الصفر المطلق. للحرارة الشديدة احتمالات عديدة، وقد يمكن بلوغ عشرات آلاف أضعاف ما حُقق في مصادم الهادرونات، لكننا لم نتيقن من ذلك بعد.
الحد الوحيد في الفيزياء المتعلق بدرجات الحرارة القصوى هو مقياس بلانك. تعتمد مجموعة من وحدات القياس على الثوابت الفيزيائية، وتشير إلى الحد الذي تنهار عنده ثوابت الفيزياء. تعادل حرارة بلانك 1.4 × 1032 كلفن. ما يعادل 100 مليار مليار ضعف ما يمكن تحقيقه في مسرع جسيمات. لا يعتقد العلماء أنه يمكن بلوغ حرارة أعلى من ذلك، لكن الحد الحقيقي قد يكون أقل بكثير.
اقرأ أيضًا:
كيف تبدو الحياة في مكان درجة الحرارة فيه 50 درجة مئوية؟
درجة الحرارة – فيزيائيًا.. ما هي درجة الحرارة؟
ترجمة: إيهاب عيسى
تدقيق: أكرم محيي الدين
