La naturaleza tiene aceleradores de partículas que están mucho más allá de nuestra capacidad , pero ocasionalmente escucho a los físicos atómicos afirmar que pueden hacer algo que nunca se ha formado en ningún proceso natural (es decir, que no proviene de vida inteligente). Esto siempre me ha parecido plausible, pero ¿es realmente cierto?
Para mayor precisión, digamos que hemos producido 100 000 átomos a 100 nK durante 10 segundos, lo cual es bastante conservador en todos los parámetros. ¿Cuál es la probabilidad de que tantos átomos hayan alcanzado alguna vez esta temperatura durante este período de tiempo debido a fluctuaciones espontáneas, en cualquier parte del universo observable? ¿Qué tal 10 átomos? Suponiendo que el universo es infinito en tamaño, ¿qué volumen tendríamos que mirar antes de tener una probabilidad decente de que esto ocurra alguna vez? Siéntase libre de hacer cualquier suposición simplificadora que dé un límite superior a esta probabilidad, como suponer que el universo ha estado a 3 K todo el tiempo desde el Big Bang.
Editar: dado que nadie ha mordido, señalaré lo más lejos que he llegado en esta pregunta: el teorema de fluctuación establece, si lo entiendo correctamente, lo siguiente:
dónde es la disminución de entropía necesaria para llevar los átomos de 3 K a 100 nK. En otras palabras, es exponencialmente más probable que aumenten espontáneamente por la entropía necesaria, presumiblemente un evento improbable en sí mismo.
Aunque no es una respuesta completa, un lugar para comenzar es con el lugar natural más frío del universo, que es la Nebulosa Boomerang, una nebulosa planetaria que tiene alrededor de 1 K. Lo mejor que puedo decir es que se enfrió por debajo de la temperatura CMB simplemente por dilatación adiabática, y está aislado en su interior del calentamiento CMB. ¿Es esta una forma factible de llegar a temperaturas ultrafrías?
Para un gas monoatómico, recuerde que la expansión adiabática es . Entonces, algo que se enfría a 100 nK desde 3 K tendría que expandirse en volumen por un factor de ~ . Lo cual es, obviamente, mucho, pero el espacio es grande y tiene espacio más que suficiente. La nebulosa Boomerang tiene aproximadamente 1 año luz de diámetro y se expande a unos 164 km/s. Entonces, podríamos imaginar, por ejemplo, un objeto similar que comienza con un radio de alrededor de 10^(-4) LY (que sigue siendo 10 000 veces más grande que el Sol) y se expande al mismo tamaño a la misma velocidad, lo que sería tomar alrededor de 1000 años. Esto no parece particularmente inverosímil, aunque no soy astrónomo.
La pregunta más difícil de responder es cuál sería la tasa de calentamiento del CMB en el interior de esta nube. Por supuesto, solo tendría que ser muy pequeño para contrarrestar el enfriamiento adiabático. Mirando uno de los artículos sobre la nebulosa Boomerang , los autores allí estiman el calentamiento de los rayos cósmicos como erg/s, mientras que la velocidad de enfriamiento es de alrededor en las mismas unidades. Entonces, dado que el enfriamiento adiabático es más lento a medida que el gas se enfría (de hecho, en este modelo simple tenemos ), probablemente esperaríamos que para cuando el gas se haya enfriado a aproximadamente 1/1000 de la temperatura CMB, si no antes, la velocidad de calentamiento igualaría la velocidad de enfriamiento.
Considerándolo todo, mi mejor conjetura muy aproximada es que la expansión adiabática de este tipo no podría conducir a una temperatura por debajo de la escala mK.
Ériek