温度是表示物体冷热程度的物理量,微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。
我们听说过宇宙中有绝对零度,也就是任何物质中分子和原子停止热运动的那个点,但我们从来没有听说过绝对高温,那么自然界中是否存在最高温度,或者是否高温本身% j . O _ T | o就没有上限?今天我们就谈论下这个问题。
我们先从初中知识说起% 0 ! J ^ | l o V,然后从这里开始升温。
假如将食用色素滴入不同温度的水中,会看到什么?水的温度越高0 / C },食用色素在水中扩散的速度就越快。
为什么会这样呢?因为水的温度决定了水分F 3 I 8 ] L 6 e O子的运动速度。也就是说较热的水里的单个水分子会以更快的速度运动,这就造成了食用色素颗粒在较热的水里比在f 4 D e 7 . 7 *较冷的水里移动得更快。
如果我们想要完全停止一个1 s E ^物体中分h n 4 w ! C 9 Q子/原子的运动,让一切完全静止下来,甚至C d R 2 A F J克服量子物理学不确定性的本质,B ] Q n n ( `那就需要我们把一个物体的温m K R L ) ~ F x度降到绝对零度,这个温度就是热力学上可能达到的最低温度。
但是换个方向呢?如果我们给@ _ d } 0一个粒子系统(一杯密封的水)不断的加热,粒子随机运动的速度肯定会6 ; X d l ; N 6 U越来越快。但是,你有没有想过这个温度有没U v d a B | t 9 A有极限呢?如果不停的给一个系统v u j加热会不会发生某种灾难,阻止我们超过某个极限温度?! D r & * } +
持续给水加热
在数千开尔文的温度下(太阳变面温度5500K),热量会开始破坏分子间的化学键,如果继续提高温度,能量就会开始剥离原子中的电子。于是我们就会得到一个离子化的等离子体,它完全由电子和原子核构成,根本没有中性原子。
这时单个粒子(电子和F [ K正离子C V f n &)依然会在高温下剧烈的运动,遵守与F R [ $ Y [ x b |往常一样的物理定律,并不会发生什么特殊的事情。我们继续给系统加热,看看接下来会发生什么。
随着温度的升高,能} } q量和物质就开始互相的转J F G化,曾经我们认为的“粒子”也开始分解:
在温度大约810^9开尔文(80亿& [ 6K)时,开始自发地从粒子相互碰撞的原始能量中产生物质和反物质对(电子和正电子)。在温度大约210^10开尔文(M S M / J w & j C200亿K)时,原子核被高能光子撞击后,会炸成单个的质子i u M和中子。
在温度大约210^12开尔文(2万q j $ 5 $ L A亿K)时,质子和中子不再存在,取而代之的是组成它们的基本粒子(夸克和胶子)[ I X开始四处碰k 6 ~ H E Y s f 9撞,平时我们说夸克禁闭,这只是低能量下,在高能量下夸克不再受束缚。在温度大约210^15开尔文(2千万亿K)时,开始大量产生目前所有已知的粒子和反粒子。
不过,这仍然不是温度上限。但就在这个210^u A 4 ? s15开尔文(2千万亿K)的临界值附近,就会发生有趣的事情。这个温度下正是产生希格斯玻色子所需要的能量,因此在这个温度下希格斯场会停止与其他粒子耦) 1 E t v z }合。
换句话说,一旦我们把系统加热到高于这个能量阈值,就会发现M x r .所有的粒子现在都变成了q 3 ] # v ] n I无质量粒子,并0 d ( 6 % z 5且以光速四处飞行。这些物质、反物质和辐射的混合D } C 0 = ) H物,现在都会表现得像辐射一样,无论它是物质、反物O b H质还是非物质。
如果我们继续把系统加热到越来越高的温度,这些粒子的移动速度虽然不会高于光速,但它们仍会继续携带越来越多的能量,就像无线电波、微波、可见光和x射线它们都是光的不同形式,以光速运行,但能量不同,
这时系统中可能会产生一些未知的新粒子,或者新的自然法则。那么我们是否可以一直给系统加热,直到到达无限的温度。
然而,这是不可能的,原因有三。
在整个M g ? C 5 3可观测的宇宙中,能量是有9 2 P d a g 5限的m S [ 9 ? E。以我们的可观测宇宙中所有的物质、反物质、辐射、H ) V q中微子、暗物质,甚至是空间本身固有的能量为例,大约有10^80个普通9 I ^ 6 6 N T : U物质粒子,大约有10^89个中微子和反中微子,还有稍多一点的光子,加上暗物质和暗能量的所有能量,它们都分布在一个半径为460亿光年的宇宙中。
但是即使我们把所有的物质都转化成纯能量(通过E = mc^2),即使我们用所有的能量来加热系统,没有丝毫一点损耗,这个能量也是( b 0有限的,而这个能量大约对应于10^1= 0 6 ^ f % m s :03开尔文的温度,所以宇宙中有一个能量上限。但是! P + P T Z A w在系统到达这个温度点之前,会发生其他J h $ Y J % ;的灾害性事情来阻止我S 9 ~ y i们如此疯狂的举动。
如果我们把大量的能量聚集在有限的空间里,就会创造出一个黑洞!我Q 7 R * _们通常认为黑洞是巨大、致密的天体,能够吞噬附近的星际物质、恒星、行星!
但是如果我们给单个量子粒子提供足够的能量,即使这个粒子只是一个以光速运动的无质量粒子,它也会在微小的尺度上变成黑洞!这个能量大约为10^19 GeV,通过E = mc^2,算出F { s O d V来约为22微克。在这个能量下粒子会自发地产生黑洞,并立即衰变为能量更低的热辐* = . @ p r F 7 S射状态。因此,宇宙中的温度上限似乎对应于大约10^32开尔文的温度。
这个温度比之前s E C $ ; n _ t的极限要低很多,因为不仅宇宙能量是有限的,而且黑洞也是一个限制因素。但是还有一些其他的限制因素,如果我有能力把温度升4 1 [ +高到任意的范围,就会发生更加可怕的事情。
在某一高温下,我们将会导致宇宙重新暴胀早在大爆炸之前,宇宙就处于指数膨胀状态,空间本身就像一个气球一样膨胀,但膨胀速度呈l N - [ ? u指数级。当暴胀结束时,大爆炸就开始N J z了。
如果我们设法达到了足够的温度,就会使系统恢复到暴胀状态,相当于我们按下宇宙的“重置”按钮,并导致暴胀恢复,大爆炸重新q z q m A开始。
理论上,宇宙的T ` , s h暴胀是在大约10^ 28-1. $ e m0 ^29 K的温度下发生的,因此无限升高温度是不可$ X u - X m * 能的,因为宇宙只有有限的能量= t c z 2 $ M B #,毕竟它也是从大爆炸中诞生的。
我们平时不说绝对W J r s ! e e高温,是因为这个温p b U } 6 . , {度没有具体的标准,也没有任何意义,因为人类根本达不到这样的温度。即使是地球上最强大的粒子加速器,仍然需要至少1000亿倍的能量才能产生以上特殊的效果。u ( Y