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深度科普:溫度有下限絕對零度,速度有上限光速,為何會這樣?

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簡單講,我們的宇宙是有限的,而有限的宇宙無法容納無限的事物或無限的特性。任何屬性都不可能從負無窮延伸到正無窮。所有的物理性質,無論是速度、溫度、質量、體積、密度,還是任何我們可以測量的性質,它們的取值都是在有限的范圍內。

因此,我們來探討一個延伸的問題,溫度不僅有一個最低限度,同樣也有一個最高限度。



而這個最高限度就是宇宙大爆炸發生時的溫度。自此以后,在我們的宇宙中,任何事物都不可能超過大爆炸瞬間的溫度。這便是我們所在宇宙的溫度上限,據物理學家估算,大約為10^32K。



描繪宇宙溫度的演變圖景,我們會發現在宇宙誕生的10^-43秒時刻,決定了宇宙溫度的上限為10^32K。一旦超越這個溫度,你就能創造出一個新的宇宙。

那么,關于速度的上限以及絕對零度意味著什么,我們來談談。

首先,絕對零度這個概念相對簡單。一句話足以概括:



絕對零度指的是粒子處于量子力學所描述的最低能級狀態,亦即絕對靜止狀態時的溫度。因為溫度本質上反映的是粒子的運動,因此將此時的溫度定義為0K,即絕對零度。

在探索超低溫世界的過程中,物理學家們發現了許多奇特的現象。最著名的莫過于超導現象(電阻消失),還有超流體現象,液氦能夠自動跨越障礙,從高處流向低處。

液氦的超流體現象非常特別,它可以自動從高處流向低處,這聽起來并不新奇。但奇妙之處在于,它能夠跨越障礙流動。這就如同你桌子上的一杯水,水竟然自動從杯中溢出,并非底部漏水,而是從杯子上方溢出。



至今,低溫物理學家所能達到的最低溫度記錄是德國的實驗室在1999年創造的1.0×10^-10K。然而,根據量子力學理論,絕對零度是一個遙不可及的目標,因為真空中存在能量,只要能量大于零,溫度就不可能降為0。最終,一切皆歸結為能量的問題。

至于速度上限的原因,它關乎能量的有限性:

請注意,不論真空中的光速具體數值多少,任何有靜止質量的粒子都不可能超過光速。這是愛因斯坦狹義相對論的基本論斷。隨著粒子速度的增加,其質量不會保持不變,而是會增大。當速度接近光速時,質量會變得非常大,以至于接近無窮大。這意味著,這個移動中的粒子擁有無限的能量,這顯然是荒謬的。



只有當粒子的速度接近光速時,質量的增加才變得顯著。

由于我們的宇宙是有限的,無法容納擁有無限質量的粒子。宇宙大爆炸瞬間確定的總能量,大約為10^19GEV,不管這個數字多么巨大,它始終是一個有限值,非無限。

那么,光子為何能達到真空中的光速呢?

因為光子沒有靜止質量,所以在光速下不會擁有無限質量和無限能量。否則,任何物體被光子照射就會瞬間消失,不僅物體,整個宇宙也會在光照下消亡。但光子具有所謂的相對論質量,或運動質量,可以通過愛因斯坦的質能公式E=MC^2將其能量轉換為質量。



此外,關于光速還隱藏著一個深奧而少有人關注的問題:

為何光速(在真空中)大約為每秒30萬公里,而不是更快或更慢呢?當然,這些數據是在現行的度量系統中得出的,而不是通過隨意改變單位來做數字游戲。如果真空中的光速發生巨變,對我們的宇宙意味著什么?一些物理學家正在探索這一問題。

另一個相關疑問是,自古至今,真空中的光速是否發生了微小變化,以前的光子比現在的光子速度快或慢?目前尚無定論。

不過,黑洞可能是一個例外。據稱,黑洞具有無限密度,這引發了一個悖論。物理學家正在努力解決這一問題,最后的結論很可能是,即便黑洞也不可能擁有無限的屬性,比如密度。

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