揭秘宇宙极端温度：从普朗克高温到绝对零度的奥秘 _生活知道

温度，作为人类描述自然界物质物理性质的七大基本物理量之一，刻画了大量粒子的热运动剧烈程度，并在宏观层面体现为物体的冷热状况。物质由无数粒子组成，温度实质上是这些分子、原子等粒子平均动能的外在表现。当体系中的平均动能升高时，温度也随之上升。
在我们的认知中，最热的现象莫过于恒星。以太阳为例，这颗巨大的火球表面温度约为5500摄氏度，而其核心温度更是高达1500万摄氏度。一些超大质量恒星内部的温度甚至能达到数十亿度。然而，宇宙中不仅存在温度的上限，也有温度的下限。
宇宙中的最高温度是普朗克温度，这一概念源自138亿年前宇宙大爆炸发生后第一个普朗克时间内的宇宙温度。普朗克时间是量子世界中最小的时间间隔——5.4×10^-44秒。在那个瞬间，宇宙尺度几乎为零，所有质能都集中在这个微小维度内，温度和压力达到了极致。理论上，这个宇宙中曾经存在的最高温度可达1.42×10^32摄氏度，即1.4亿亿亿亿摄氏度。
在宇宙大爆炸之前，它是一个奇点，时空曲率和密度均无限大。因此，有人认为那时的宇宙温度也是无限高。但在那种状态下，物质的存在形式、是否仍具有粒子形态以及是否能保持运动状态等问题我们都无从得知。在这种状态下，温度的概念或许已不复存在。
温度的高低与粒子的热运动剧烈程度密切相关。如果体系中粒子的平均动能无限大，是否就意味着温度可以无限高呢？根据相对论，任何粒子的运动速度都无法达到或超过光速，只能无限接近光速。当粒子速度接近光速时，其动能将趋于无限大，从而使得温度也趋于无限高。然而，在这个过程中，粒子的质量也会趋于无限大，一旦超过某个临界值就会坍缩成黑洞。此时，物质陷入时空奇点内，温度的概念也随之消失。这个临界值即为粒子的普朗克质量，也就是当其康普顿波长等于史瓦西半径时的质量。因此，宇宙中的理论最高温度被称为普朗克温度。
至于宇宙中的最低温度则是绝对零度，即零下273.15摄氏度。由于微观粒子的不确定性和持续的无规则热运动，它们的平均动能永远无法降至零。这意味着任何物质的温度都不可能达到绝对零度。这就是热力学第三定律的内容——“绝对零度不可达” 。
在上世纪70年代，科学家们通过激光冷却技术成功地将物质的温度降至接近绝对零度的状态。尽管这项技术在极小的空间范围内实现了近乎绝对零度的低温环境，但它仍然无法突破绝对零度的限制。在宇宙中，某些星云的温度已经非常接近绝对零度了。
综上所述，温度与基本粒子的运动速度紧密相关。它的下限是粒子停止运动的状态（绝对零度），而上限则是粒子运动速度的极限（普朗克温度）。然而在实际应用中，无论是最高温度还是最低温度都只能存在于理论层面。目前尚未有任何实验能够将物质的温度降至绝对零度以下，正如我们也未能观测到物质的运动速度超过真空中的光速一样。因此，上述观点依然稳固可靠。
【揭秘宇宙极端温度：从普朗克高温到绝对零度的奥秘】相比之下，实验室中记录到的最高温度出现在欧洲强子对撞中心的粒子碰撞实验中，当时产生的温度高达10万亿摄氏度——但这与理论上的温度上限相比仍有巨大差距。事实上，我们可能永远无法重现宇宙大爆炸那一刻的历史最高温度了——除非再次发生一场宇宙大爆炸。

揭秘宇宙极端温度：从普朗克高温到绝对零度的奥秘

猜你喜欢