В природе есть ускорители частиц, которые намного превышают наши возможности , но иногда я слышу заявления физиков-атомщиков о том, что они способны создать что-то, что никогда не формировалось ни в одном естественном процессе (то есть не происходит от разумной жизни). Это всегда казалось мне правдоподобным, но так ли это на самом деле?
Для определенности предположим, что мы произвели 100 000 атомов при температуре 100 нК за 10 секунд, что достаточно консервативно по всем параметрам. Какова вероятность того, что такое количество атомов когда-либо принимало такую температуру в течение такого времени из-за спонтанных флуктуаций в любой точке наблюдаемой Вселенной? Как насчет 10 атомов? Предположим, что Вселенная бесконечна по размеру, какой объем мы должны были бы рассмотреть, прежде чем у нас была бы приличная вероятность того, что это когда-либо произойдет? Не стесняйтесь делать любые упрощающие предположения, которые дали бы верхнюю границу этой вероятности, например, предположить, что температура Вселенной была 3 К все время, начиная с Большого взрыва.
Редактировать: поскольку никто не укусил, я укажу самое далекое, что я получил по этому вопросу: теорема о флуктуациях утверждает, если я правильно ее понимаю, следующее:
где представляет собой уменьшение энтропии, необходимое для превращения атомов с 3 К в 100 нК. Другими словами, экспоненциально более вероятно, что они спонтанно увеличатся на необходимую энтропию, что само по себе является маловероятным событием.
Хотя это и не полный ответ, можно начать с самого холодного естественного места во Вселенной, которым является туманность Бумеранг, планетарная туманность, температура которой составляет около 1 К. Насколько я могу судить, она просто охладилась ниже температуры реликтового излучения. за счет адиабатического расширения и изолирован внутри от нагрева реликтового излучения. Является ли это реальным способом достижения сверхнизких температур?
Напомним, что для одноатомного газа адиабатическое расширение равно . Таким образом, то, что охлаждается до 100 нК с 3 К, должно увеличиться в объеме в ~ . Что, конечно, много, но пространство большое и места более чем достаточно. Туманность Бумеранг имеет диаметр около 1 светового года и расширяется со скоростью около 164 км/с. Таким образом, мы могли бы представить, например, подобный объект, который начинается с радиуса около 10 ^ (-4) световых лет (что все еще в 10 000 раз больше, чем у Солнца) и расширяется до того же размера с той же скоростью, что было бы займет около 1000 лет. Это не кажется особенно неправдоподобным, хотя я не астроном.
Сложнее ответить на вопрос, какой будет скорость нагрева от реликтового излучения внутри этого облака. Только, конечно, оно должно быть очень маленьким, чтобы противодействовать адиабатическому охлаждению. Глядя на одну из работ по туманности Бумеранг , авторы там оценивают нагрев космическими лучами как эрг/с, а скорость охлаждения составляет около в одних и тех же единицах. Так как адиабатическое охлаждение идет медленнее, чем газ становится холоднее (действительно, в этой простой модели мы имеем ), мы, вероятно, ожидаем, что к тому времени, когда газ остынет примерно до 1/1000 температуры реликтового излучения, если не раньше, скорость нагрева совпадет со скоростью охлаждения.
В общем, моя самая грубая догадка состоит в том, что адиабатическое расширение такого рода не может привести к температуре ниже шкалы мК.
Эрик