1.4億億億億℃和-273℃有多可怕?物理定律全部崩潰,時空沒意義

溫度的概念在生活中十分常用,比如水溫、體溫、氣溫。通過溫度的高低,我們可以知道物體有多熱。但溫度的本質究竟是什麼呢?溫度究竟是如何產生的呢?

物體都有溫度,因為物體本身具有熱能,而物體的熱能則是來自于微觀粒子的熱運動。由此可見,溫度在本質上反映的是粒子做無規則熱運動的劇烈程度。

巨觀物體中包含著大量的微觀粒子,例如,一個人估計由10^27(1000億億億)個原子組成,這些微觀粒子的熱運動越劇烈,更多地發生碰撞或者其他相互作用,巨觀物體表現出的溫度就會越高,反之亦然。

不過,溫度并非絕對的概念,我們無法直接說一個物體的溫度是多高,需要設定一個參考標準。在生活中,我們最常用的攝氏溫標以水的冰點作為0 ℃,以水的沸點作為100 ℃(都在一大標準大氣壓下),中間分100等份,基于此就能用于表示物體的溫度。

最低溫度是多少?

如上所述,溫度表征的是粒子熱運動劇烈程度,如果粒子完全靜止,沒有熱運動,此時就會達到最低溫度。在熱力學中,最低溫度被稱為絕對零度,定義為0 K,這相當于-273.15 ℃。

然而,量子力學的不確定性原理表明,粒子的位置和速度不可能同時被精確測量出來,這就意味著粒子不能絕對靜止。而相對論也表明,宇宙中不存在絕對靜止的參照系,所以絕對靜止的粒子不存在。

因此,絕對零度是無法達到的最低溫度極限。既然這個溫度無法達到,人們又是如何知道它等于-273.15 ℃呢?

這就要用到查理定律或蓋-呂薩克定律。以蓋-呂薩克定律為例,對于理想氣體,如果氣壓恒定,那麼,體積與溫度之比就是一個恒定的常數。通過測定多組理想氣體的體積-溫度數據,就能擬合出一條直線,再進行外推就能算出絕對零度。

雖然我們在平時不會接觸到接近絕對零度的溫度,但宇宙的平均溫度其實非常低,只有-270.42 ℃。物理學家在實驗中還能創造出更低的溫度,目前人類達到的最低溫度為-273.149999999962 ℃,僅比絕對零度高了0.000000000038 ℃。

最高溫度是多少?

另一方面,光速是粒子運動速度的上限,如果粒子達到光速,熱運動最為劇烈,此時應該就會達到最高溫度。但實際情況并非如此,因為粒子的速度無限接近光速時,動能將會變得無窮大。

在中學物理中,我們所學的動能公式為(Ek=1/2mv^2),就算速度達到光速,動能也是有限的。但事實上,這個公式并不適用于亞光速、光速的情況,只能在低速情況下使用。

在接近光速時,相對論效應將會變得極為強大,只能使用如下的公式:

事實上,如果速度足夠低,上述公式經過泰勒級數展開之后,可以忽略高階項,結果就能得到我們常用的動能公式,這其實是相對論在低速下的一個近似公式。

從相對論公式來看,粒子的速度無限趨于光速時,動能將會無限增大,這意味著溫度可以變得非常高,并且是沒有上限的。不過,目前的物理學理論無法描述過高溫度乃至無限高溫度之下的物理狀態。

目前理論所能描述的最高溫度為1.4×10^32 ℃,即1.4億億億億度,這就是普朗克溫度。當溫度達到這麼高的程度時,主宰宇宙的四大基本作用力(引力、電磁力、強核力、弱核力)將會統一成為一個力,所有粒子都會變成純能量,這種溫度被認為只出現138億年前宇宙大爆炸的最初一瞬間(5×10^-44秒之內),后來宇宙不斷膨脹冷卻,如今宇宙平均溫度只比絕對零度高了2.73 ℃。

至于普朗克溫度以上的物理狀態,沒人知道究竟是怎樣的,也不知道該如何讓溫度達到那麼高的程度,所需的物理學理論目前還沒被創立出來。無論是最低溫度,還是最高溫度,都會讓已知的物理定律崩潰,時間和空間的概念全部失去意義。


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