人类逃不过的三大物理定律 1.4亿亿亿亿和-273.15

温度,是我们认为规定,用来测量物体内分子和原子平均动能的物理量,一般来说,温度和其动能成正比。

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温度变化

在地球上,自然环境中最冷的地方是南极洲,曾经测得最低温为零下94.2℃,而最热的地方是位于伊斯兰共和国境内的卢特沙漠,最高温度可以达到71℃。

但是这点温度,对于整个宇宙空间来说根本不算什么。

接下来我们就来了解一下,宇宙最高温1.4亿亿亿亿℃和最低温-273.15℃有多恐怖?如果达到这个温度,物理定律将全部崩溃,时空也失去意义。

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南极洲

定义温度

宇宙中所有的物质都是由各种粒子构成,正如前面所说,温度越高的物体,内部的分子和原子随机运动或振动就会越强烈,反之亦然。

因此科学家们根据粒子的运动,并通过实验结合理论,得到宇宙最高温度和最低温度

当粒子停止运动的时候运动的时候,就不再产生热运动,此时也就达到了绝对零度,我们可以用0开尔文表达,也就是零下273.15℃

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物质由粒子构成

而当粒子在运动过程中的,在一定压力下,运动速度接近光速时,能量就会趋于无限大,达到温度极限,也就是绝对的最高温度。

此时的温度可以达到1.4×10^32开尔文(普朗克温度),也就是1.4亿亿亿亿℃,这个温度仅在138亿年前,宇宙大爆炸时,在10^-43秒达到的温度。

宇宙最高温度

在宏观世界中,当物体的内能增加,分子和原子就会挣脱化学键,自由度就会相对变高,而此时物体就会从固态变为液态,最终变成气态。

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水在不同温度下的三种状态

在地球上,我们对温度的感知还比较强烈,比如当温度为0℃时,冰可以逐渐开始融化

当温度达到100℃时,在标准大气压下,水会沸腾。

当温度达到500℃时,铁会发出暗红色的光芒,1000℃时,会发出白色的光芒,达到1538℃时,它就会开始融化。

在这之后,铁和其它熔点更好的物质,还可以持续升温,即便最后变成气态也是如此,此时分子和原子的运动会变得更加猛烈

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烧红的铁

温度开始剧烈增长后

当温度升高至大约5000多℃时,就可以达到太阳表面的温度,此时分子会被电离成单个的原子。

电子因为获得了个更高的动能,所以逐渐脱离原子核,变成带正电的原子核和带负电的自由电子,这就是我们所说的等离子体

当温度升高至大约200亿℃时,原子核开始被电离,此时其中的质子和中子会挣脱束缚,变成单个自由的粒子。

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等离子体

当温度升高至大约2万亿℃时,质子和中子已经失去稳定的结构,它们会被分解成更基础的夸克和胶子。

此时二者就会形成一个致密的等离子体,也就是我们所说的夸克汤,其密度可以达到400亿吨/立方厘米。

在地球上,我们可以通过相对论性重离子对撞机,将粒子加速到亚光速,就可以获得这样的状态。

甚至在大型强子对撞机中,通过用高能质子猛烈撞击重原子核,还可以获得温度达到10万亿℃的夸克汤

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大型强子对撞机

等到温度达到大约2000亿℃时,这些带质量的粒子,就会像光子一样,不受质量的约束,开始以光速运行,不过此时的温度还没有达到宇宙最高温度

因为据科学家推算,在宇宙诞生的那天,其膨胀的速度一度超越光速。

当宇宙温度达到1.4亿亿亿亿℃时,宇宙暴涨阶段刚好结束,此时真空能量已经衰变到物质中,并产生了所有的物质粒子。

这个过程被科学家们称为再加热,所以最终才能达到普朗克温度。

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宇宙大爆炸

宇宙最低温度

接下来,再来看一下绝对零度

如前面所说,粒子不再运动,动能减少为零时,对应的温度就会达到零下273.15℃。

虽然宇宙曾经达到过极限的最高温度,但是绝对零度却没有办法达到

纵观整个宇宙,尽管我们知道一些恒星的表面温度很高,但实际上宇宙的平均温度却只有零下270.42℃,这是宇宙微波背景辐射的温度。

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宇宙微波背景辐射

目前我们在宇宙中发现的最冷的地方,是回力棒星云,这里的温度达到零下272℃,但仍旧比绝对零度高了1.15℃。

而这已经是宇宙大爆炸后,留存至今的“热度”了。

曾经科学家通过实验,也曾无限接近绝对零度

目前,麻省理工大学的科学家,还利用激光冷却钾钠气体分子的方式,将其冷却至1℃的5000亿分之一,仅比绝对零度高了百万分之几℃

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金属铑

再往下,科学家也没有办法继续探索下去了。

因为所有物质的导热率都会随着温度的降低而下降,那么此时要从其他地方将热量向外传导就需要很长的时间。

并且变化单位温度,吸收或释放的热量,也会随着温度的降低而减小,也就是说,不管是多么微小的行为,都相当于给物质加热。

粒子不会停止运动

因此我们可以说绝对零度是一个理想的、无法达到的、完美的冻结状态。

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无法达到绝对零度

之所以无法达到,在爱因斯坦看来,宇宙中不存在绝对静止的参照物,任何物体都处于运动中,静止只能是相对的。

而在量子力学看来,粒子更加不会停止运动,因为根据不确定原理,粒子的位置和动能不会被同时精准地测量出来。

所以这样看来,宇宙中粒子的动能永远大于零,而温度永远也比绝对零度高

在热力学第二定律,也就是熵增原理中,宇宙的能量最终会逐渐耗尽,但这仅限于是有用能量

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熵增

此时它们会逐渐转变为热能,宇宙能够保持最低,但非零的能量状态,温度虽然会达到热平衡,但一定不是绝对零度。

时空无意义

不管是绝对最高温度,还是绝对零度,我们人类都很难驾驭

如果假设可以达到这两个温度,那么我们现存的物理定律就会全部崩溃,而时空也会变得没有意义。

绝对最高温度,是宇宙在大爆炸之初产生的。

现在要达到或超过这一温度,无异于是将整个宇宙都“重启”,再次经历一次宇宙暴涨

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我们不可能重启宇宙

而在此之前,时空根本就没法存在,甚至现代物理学的两大基石,相对论和量子力学也会崩溃。

因为如果达到这个温度,微观量子就会接近静止,原子的振动会停止,分子无法进行热运动,而物质也会失去基本的相态。

所有此时,不仅时间和空间会失去意义,整个宇宙空间也会消失。

不过即便如此,科学家对与宇宙温度的研究,始终没有停止,并且在这个过程中,还会不断创新更高级的技术,创造出更厉害的装备

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爱因斯坦提出相对论

就像在努力达到绝对零度时,科学家们就发现了温度仅为零下196℃的液氮,和温度低至零下253℃的液氢

现在我们的火箭常用的燃料就是液氢,由此可见,科学家们在对宇宙温度的研究中,可以进一步促进对整个宇宙的研究。

通过假设并不断验证的结果,来找到宇宙及各类天体形成的机制,或许还可以找到人类在其他星球上生存的方法。

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液氢

这样一来,即便最后地球毁灭,人类文明仍然可以继续发展,甚至还能往更高级的文明进步

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