-273.15℃,乍一看,這個數字似乎并非小得超乎想象。
然而,即便如此,人類卻始終無法真正抵達這一溫度,只能無限趨近。這一溫度,便是著名的絕對零度,在開爾文溫標中記為 0K。
與之形成鮮明對比的是,宇宙中的最高溫度竟能飆升至 1.4×1032K,即普朗克溫度。
為何這兩個溫度之間存在著如此巨大的鴻溝?為什么人類無法觸及絕對零度?
在宇宙的眾多物理概念中,有些是物質與生俱來的本質屬性,如質量、能量和自旋。即便沒有人類,物質依然具備這些內在特性。
而溫度則有所不同,它是人類為了衡量物體內分子或原子的平均動能(內能)而定義的物理量。倘若宇宙中存在外星人,他們很可能會采用截然不同的方式來描述物體所蘊含的內能。
從本質上講,溫度是物體內部分子和原子隨機運動與振動的外在表現。分子和原子的隨機運動越劇烈,它們所具有的動能就越高,物體表現出的溫度也就越高,反之亦然。
以一杯 25℃的常溫水為例,當我們向其中滴入一滴色素時,色素會相對緩慢地擴散開來。但如果水溫升高,由于水分子的隨機運動變得更加劇烈,色素的擴散速度也會顯著加快。
不僅液體如此,固體金屬同樣遵循這一規律。在低溫環境下,金屬原子被化學鍵束縛在相對固定的位置上振動。隨著溫度的升高,原子獲得了足夠的動能,便會掙脫化學鍵的束縛,開始自由隨機運動,金屬也就隨之液化。若繼續加熱,金屬還會進一步氣化。
前文提到,分子和原子的隨機運動與振動是產生溫度的根源。
因此,從理論上講,當物體內的分子和原子完全靜止時,物體就不再具有溫度,這便是絕對零度的定義。絕對零度在開爾文溫標中為 0K,換算成攝氏度約為 - 273.15℃。
然而,人類卻無法使物體的溫度降至絕對零度,這背后涉及到量子力學這一描述微觀世界的基本理論。
量子力學中的不確定性原理表明,微觀世界中的粒子無法同時確定其動能和位置,它們的測量值乘積必定大于普朗克常數的 1/2。
這就意味著,物質粒子永遠不會停止運動。因為一旦粒子停止運動,其位置將變得完全不確定;而若要確定粒子的位置,其動能就可能在 0 到無窮大之間變化,這顯然是相互矛盾的。基于不確定性原理,人類只能無限接近絕對零度,卻永遠無法真正達到這一溫度。
通過前文的闡述,我們知道,只要讓物質粒子的速度不斷提升,其動能就會相應增加,所表現出的溫度也會隨之升高。
在日常生活中,物質粒子大多處于低速運動狀態,這使得我們所處的環境溫度更接近絕對零度,而遠離宇宙的最高溫度。
或許有人會認為,由于有質量的粒子無法達到光速,這可能就是宇宙最高溫度的限制。但事實并非如此。
普朗克溫度 1.4×1032K,指的是宇宙誕生后第一個普朗克時間(10??3 秒)內宇宙的溫度。在這一極端時期,宇宙中的所有能量都高度集中,達到了溫度的巔峰。
然而,如此高的溫度會使我們現有的物理法則完全失效。
讓我們再次以一杯水為例,假設將這杯水置于一個封閉系統中持續加熱,將會發生一系列奇妙的變化。
當溫度升至 5500K 時,水分子將被完全分解;繼續加熱,原子會被電離,形成由原子核和電子組成的等離子體。當溫度達到 80 億 K 時,粒子間的碰撞會產生電子和正電子對;達到 200 億 K 時,原子核會被電離,分裂成中子和質子;當溫度飆升至 2 萬億 K 時,中子和質子也將無法穩定存在,而是轉變為組成它們的夸克和膠子(夸克禁閉現象僅在低溫條件下發生)。
當溫度達到 2 千萬億 K(2×101?K)時,空間中會產生目前已知的所有粒子和反粒子,希格斯玻色子也會在這一溫度下誕生,并停止與其他粒子相互作用。此時,空間中的所有粒子都將轉變為無質量粒子,其行為類似于光子,并以光速運動。
盡管 2 千萬億 K 已經是一個極其驚人的溫度,但與普朗克溫度相比,仍然相距甚遠。即便如此,這一溫度也足以打破現有的物理法則。
那么,人類能否創造出普朗克溫度呢?答案顯然是否定的。
普朗克溫度是宇宙誕生時的溫度,蘊含著整個宇宙的能量。人類在宇宙的宏大尺度面前,渺小如塵埃,根本無法企及這一溫度。要創造出普朗克溫度,就意味著擁有引發宇宙大爆炸的能力,這遠遠超出了人類目前的認知和技術水平。
此外,整個可觀測宇宙的能量是有限的,即便未來人類能夠收集可觀測宇宙中的所有能量,也無法創造出宇宙誕生時的極端溫度,因為目前宇宙的大部分區域已經與我們失去了聯系。
絕對零度看似離我們很近,這是因為宇宙自誕生以來,經過了 138 億年的持續膨脹,已經冷卻到了一個相對較低的溫度。
我們生活在一個低速、低能量的宇宙環境中。然而,如果人類出現在宇宙誕生后的最初幾秒鐘,就會發現宇宙中到處都是高溫,且溫度接近極限溫度,各種物質粒子都以光速飛行。
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