宇宙真正的极限是多少：最快最密最冷最热最空

速度最快：这是一个很值得议论的话题， 因为你常常会听到“没有什么能比光跑得更快”这句话，但是其中缘由却常常被忽视。宇宙似乎很乐于让光速首先对每个人都相同（麦克斯韦方程组（Maxwell’s Laws）给出了光速，但麦克斯韦方程组对每个人都是相同的，所以光速对每个人也都是相同的），其次才是速度限制。因为你看到的光速总是相同的，所以无论你怎么加速，它都会超过你。所以达到光速并不是一个选择，每个人都会发现自己总是比光速慢。

图解：光行差：由于光速有限，来自远处的光会因望远镜的移动而产生视觉上位移。

密度最大：你越用力压缩一个东西，它的密度就会越大。通常来讲这反映了收缩原子（atoms shrinking）之间的间距。然而，当压力足够大的时候，原子们的电子（electrons）会很容易和他们的质子（protons）结合，从而形成中子（neutrons）（当然也会释放出中微子（neutrinos），但这不重要）。在不破坏电子层的情况下，那些曾经几乎是空的原子们将会把原子核和原子核压缩在一起。

图解：氦原子结构示意图。图中灰阶显示对应电子云于1s原子轨道之概率密度函数的积分强度。而原子核仅为示意，质子以粉红色、中子以紫色表示。事实上，原子核（与其中之核子的波函数）也是球型对称的。 （对于更复杂的原子核则非如此）

这样高的压力和密度似乎只会在中子星（neutron stars）上呈现（猜一猜这名字是从哪来的）。下面展示了一些密度值（单位：kg/L），我们可以来对比一下：空气= 0.0012，人体=1，太阳=1.4，铁=7.8，金=19.3，中子星= 500,000,000,000,000。

图解：脉冲星PSR B1509-58的辐射，一个快速旋转的中子星，使得周边气体X射线发光（金色，来自钱德拉）并且照亮星云的其他部分，这里以红外线可见（蓝色与红色，来自WISE）。

你也可以简便一些。如果中子星的质量超过5个太阳的质量总和那么多，它将会坍塌为一个黑洞，严格意义上来说它的密度更大。

温度最低：你可能会猜测0。特别是0°K = -273°C = -460°F（绝对零度）。但是，这是这更多的是一种“渐进极限”，我们无法实际达到。一个在绝对零度下的物体将不会有丝毫的原子运动（也就是热heat），但这是不可能的。其中一个思考方法是利用海森堡的不定性原理（Heisenberg’s uncertainty principle），简而言之，它说的是“你不可能同时得到一个精确的位置和一个精确的动量。”不确定性原理可以写成：

，其中

和

分别是位置误差和动量误差。

所以如果有一个物质，你知道它在哪(

)，那么你就无法确定它的动量是0，而且这个物体总会至少有一点原子运动。大多数知道海森堡的不定性原理（Heisenberg’s uncertainty principle）的人都会觉得它限制了我们对一个物体的了解程度。事实上，一个更好的思考方式是它描述了这个宇宙可以了解一个物体到何种程度。

尽管不确定性原理带来了一定的困难，我们仍可以达到非常非常冷。目前世界纪录的最低温度是0.0000000001°K = 0.1 nK。

温度最高：这里实际有两个限制，取决于你如何划分这个问题。第一点是理论上的上限，它取决于你使用哪个理论来解决这个问题，但通常被引用为1030 °K。这个极限与空间的“颗粒性”（”the graininess” of space）和有多少能量可以被施加入某一特定区域有关。

第二种限制是更实际的。当气体被加热时，它的原子运动越来越快。当它们碰撞时，它们会互相反弹，并产生光子（photons）（光），这些光子通常会继续推动周围的原子。但是当温度达到大约40亿℃时，气体的原子将有足够多的能量来产生电子-正电子对（“E=mc2“，其中E是气体原子的动能，m是电子-正电子对的总质量）。

图解：海森堡假想测量电子（蓝点）位置的伽马射线显微镜。波长为ambda 的侦测伽马射线（以绿色表示），被电子散射后，进入孔径角为theta 的显微镜的透镜，其直径为displaystyle D。散射后的伽马射线以红色表示。

通常情况下，这些新生成的粒子几乎会立即找到其他的电子和正电子然后湮灭，产生光。但有时他们也会生成中微子（neutrinos）而不是光。中微子是“弱相互作用”（这是“可以畅通无阻地穿过墙壁”的科学说法），所以用来产生他们的能量将会飞向空间并永远不会再被看见（或者说几乎永远）。其产生的效果是当气体的温度超过4,000,000,000℃时，它会自己冷却下来（看起来不会辐射任何能量）。作为比较，太阳核心的温度大约是1570万摄氏度。

图解：萨德伯里中微子探测器（Sudbury neutrino detector: 直径40英尺，是所有建造过的东西中长相最邪恶的。

这有时对恒星坍塌（stellar collapse）是很重要的。如果一个恒星需要的核心温度大于它所能维持自己的临界值，那么它将无法继续维持自己。

最小：再一次提及，根据“不确定性原理等原因”，讨论小于普朗克尺度（Planck scale），大约是10^-35m，的事物是没有意义的。到目前为止，没有任何人能够想到宇宙中的任何一个东西，在任何尺度上，能够分辨出两个相距10^-35m的点之间的差距。

最空：海森堡不确定性原理的另一种书写版本是

，它的意思是一个物体的时间和能量不能同时被很精确地知道（甚至宇宙也不知道，它们的数量是不确定的）。如果你将这个原理应用到真空（这里指没有任何物质的空间）中，你会发现在足够短的时间尺度上，将会出现可测量的非零能量，而且如果是在非常短的时间尺度上，你会发现粒子突然出现。这些粒子被叫做“虚粒子”（virtual particle），这一现象有时被描述为“粒子泡沫”（particle foam）。

所以即使是在完美的真空中，也仍然会有东西。这些东西常被称为“真空能量”（vacuum energy）或是“零点能量”（zero point energy）。

图解:利用宇宙真空能量给你的晶体或是其他东西充电的极少数装置例子之一。

遗憾的是，从物理角度来说获取真空能量是不可能做到的（这违背了不确定性原理）。真空能量的大小大概是10-13 J/m3，或者说大约是对苏必利尔湖（Lake Superior）那么大的体积，一个棒球从桌子上掉下产生的能量。

参考资料

1.Wikipedia百科全书

2.天文学名词

3. askamathematician-小代

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