Kde je ve vesmíru nejchladněji? A proč vlastně? Absolutní nula a pohyb částic. Jakou teplotu má vesmír? (délka blogu 3 min.)
Ve vesmíru panují extrémní poměry. Jsou tam teploty (ale i například tlak) daleko nižší nebo vyšší než ty, jaké běžně známe ze svého pozemského okolí. Vysoké tlaky a teploty se logicky nacházejí v nitru hvězd - kde je ale ve vesmíru nejvíce chladno? A jak takové “chladno” vlastně vypadá?
Absolutní nula
Nejnižší (ve vesmíru) teoreticky dosažitelné teplotě se říká “absolutní nula” a označuje se jako 0 Kelvin. Tento název popisuje zajímavý stav: látka nemá při takové teplotě žádnou tepelnou energii (má ve skutečnosti jen tu energii, která plyne z kvantové neurčitosti, pro zjednodušení ji ale nezmiňuji). Ze zákonů klasické fyziky pak vyplývá, že by měl mít ideální plyn v takovém případě nulový objem a jeho částice by se neměly pohybovat.
Při každé jiné teplotě se totiž částice plynu nacházejí v nekoordinovaném pohybu. Dosahují při tom určitou rychlost, která ovšem není u všech částic stejná, jak by se mohlo na první pohled zdát.
Naopak, v plynech se zároveň nacházejí částice s nejrůznějšími rychlostmi a to, čemu říkáme “teplota”, pak určuje, jaká rychlost bude statisticky nejčastější. Čím teplejší je látka, tím vyšší je její statisticky nejčastější rychlost jednotlivých částic.
Mimochodem - podle rovnice, kterou známe díky pánům Boltzmannovi a Maxwellovi už od roku 1860, vede zdvojnásobení energie částic ke zvýšení střední (nejčastější) rychlosti - a to o faktor odmocniny ze dvou, tedy 1,4142x.
Absolutní nula (při které je rychlost částic teoreticky nulová) pak odpovídá teplotě -273,15 °C. Z jiných zákonů vesmíru vyplývá, že se absolutní nuly nedá dosáhnout pomocí průběžného snižování teploty. Vědci se jí umějí jen přiblížit. A to na několik miliontin stupně. Tak to tedy vypadá na Zemi - jak je tomu ale ve vesmíru?
Teplota vesmírného pozadí
Celý vesmír je prostoupen takzvaným reliktním zářením. To je elektromagnetické záření, jehož podstata je stejná jako u viditelného světla. Jedná se o fotony, které se pohybují rychlostí světla. Reliktní záření má ovšem jinou vlnovou délku než to, co známe jako viditelné světlo.
Když vznikalo, vypadal vesmír jinak než dnes. Byl daleko hustší, teplejší a menší. Hmota i záření v něm měly stejnou teplotu, byly totiž vzájemně závislé. Hmota se nacházela ve stavu plazmatu. Elektrony byly oddělené od jader atomů (tehdy existoval ve vesmíru převážně jen vodík) a mohly se tedy volně pohybovat. Elektromagnetické záření (světlo) s nimi neustále reagovalo. Elektrony ho pohlcovaly a znovu vyzařovaly.
Ve chvíli, kdy pak vzniklo to, čemu dnes říkáme reliktní záření (několik set tisíc roků po vzniku vesmíru), měl vesmír teplotu kolem 3000 K. Odkud to víme? Laboratorními pokusy se dá zjistit, že právě při této teplotě se volně se pohybující částice (protony a elektrony) spojí do neutrálního atomu vodíku. To mělo za následek, že se fotony už nutně nesrážely s (dříve všudypřítomnými) elektrony. Světlo se “oddělilo” od hmoty, říkají tomuto jevu vědci. Od tohoto okamžiku se světlo a hmota ve vesmíru vyvíjejí svým vlastním tempem.
Hmota se místy zahušťovadla, takže mohla tvořit první hvězdy a galaxie. A světlo - to začalo díky neustálému rozpínání vesmíru … “chladnout”.
Protože se ale fotony pohybují stále stejnou rychlostí (rychlost světla), jedná se ale o jiný druh ochlazení, než jaké pozorujeme u hmoty, kde se rychlost částic dá odvodit od jejich teploty (viz výše).
Světlo má při chladnutí stále stejnou rychlost (kterou se šíří), zato je “unavenější”. Dostává jinou vlnovou délku. Zdá se nám, že elektromagnetická vlna kmitá pomaleji.
Zdá se vám to složité? Ve skutečnosti je to ještě o něco zapeklitější. Světlo se totiž samo o sobě od dob svého oddělení od hmoty nezměnilo. To, že se nám dnes zdá jeho vlnová délka delší než kdysi, je způsobeno rozpínáním prostoru vesmíru. Právě to totiž “natáhlo” vlnovou délku reliktního záření na dnešní hodnotu, odpovídající mikrovlnnému záření (v řádu milimetrů). Pro srovnání - viditelné světlo má vlnovou délku řádově milionkrát kratší.
Záření mikrovlnného pozadí zajišťuje jednotné „vesmírné klima“. Teplota vesmíru, odvozená od reliktního záření, odpovídá zhruba -270 °C.
Nejchladnější místo ve vesmíru
Tím se konečně dostávám k výše zmíněnému problému “nejchladnějšího místa ve vesmíru”.
K absolutní nule, tedy stavu, kdy částice nemají žádnou tepelnou energii a plyn nemá teoreticky dokonce ani žádný objem, se můžeme přiblížit uměle - za cenu značného úsilí v laboratořích, kde se částice různými důmyslnými způsoby uměle chladí (zbavují se kinetické energie).
Samotný “přírodní” stav vesmíru je pak zhruba o tři stupně K teplejší.
Nejchladnější místo ve vesmíru je tedy - na Zemi. Nebo na dalších planetách, které obývají mimozemské civilizace, které také… umí chladit hmotu tak, jako my.
