왜 영하 273도가 최저기온이고 140,000,000,000,000,000,000,000,000조도가 최고기온인가요?

이론적으로 저온에는 절대 영도라는 하한이 있을 뿐만 아니라, 고온에도 플랑크 온도라는 상한이 있습니다. 온도의 한계에 관해서 우리는 온도의 개념이 무엇인지 이해해야 합니다.

거시적인 관점에서 온도는 더위나 추위의 정도를 반영합니다. 그러나 미시적으로 볼 때 물체가 뜨겁고 차가운 현상을 보이는 근본적인 이유는 미세한 입자의 열운동 때문입니다. 따라서 온도는 실제로 열 이동의 강도를 측정합니다. 입자의 열운동에는 병진, 회전, 진동이 포함되므로 입자의 총 운동에너지도 병진운동에너지, 회전운동에너지, 진동운동에너지로 구성됩니다. 가스 분자를 예로 들면, 특정 가스 분자의 병진 자유도, 회전 자유도, 진동 자유도가 각각 t, r, s라면 평균 총 운동 에너지는 다음과 같습니다.

여기서 k는 유리 Ertzmann의 에너지입니다. 상수, T는 온도입니다.

평균 총 운동에너지는 온도와 정비례하는 것을 알 수 있습니다. 그러면 평균 총 운동 에너지의 상한과 하한이 온도의 상한과 하한도 결정합니다.

모든 열운동이 완전히 멈추면 물체는 열을 발생하지 않으므로 온도는 최저 절대 영도인 약 -273.15℃까지 떨어지게 됩니다. 그러나 양자역학은 입자가 절대적으로 정지하는 것을 금지하므로 온도가 절대 영도까지 떨어질 수 없습니다. 인간이 실험실에서 달성한 최저 기온은 점점 절대 영도에 가까워지고 있습니다. 현재 최저 기온은 절대 영도보다 100억분의 1도 더 높습니다.

반면, 평균 총 운동에너지가 계속 증가하면 온도도 증가하게 됩니다. 특수상대성이론에 따르면 속도가 빛의 속도에 가까워질수록 운동에너지는 무한해진다. 그렇다면 온도가 무한히 높아질 수 있다는 뜻일까?

앞서 말씀드린 것처럼 온도에는 상한선이 있어 무한정 오르지는 않습니다. 입자의 열 운동이 특정 수준에 도달하면 슈바르츠실트 반경이 플랑크 길이보다 커져 블랙홀로 붕괴되어 무한소 특이점에 들어가기 때문입니다. 따라서 현재의 물리 이론으로는 플랑크 온도까지만 설명할 수 있습니다. 플랑크 온도보다 높은 온도를 탐색하려면 현재 사용할 수 없는 양자 중력 이론이 필요합니다.

이론적으로 계산된 플랑크 온도는 이 상한 온도에 도달하기 전에 약 1.4168×10^32K로 44초를 초과합니다.