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1.4亿亿亿亿℃和-273℃有多可怕?物理定律全部崩溃,时空失去意义

2022-05-26  火星科普   |  转藏
   

温度的概念在生活中十分常用,比如水温、体温、气温。通过温度的高低,我们可以知道物体有多热。但温度的本质究竟是什么呢?温度究竟是如何产生的呢?

物体都有温度,因为物体本身具有热能,而物体的热能则是来自于微观粒子的热运动。由此可见,温度在本质上反映的是粒子做无规则热运动的剧烈程度。

宏观物体中包含着大量的微观粒子,例如,一个人估计由10^27(1000亿亿亿)个原子组成,这些微观粒子的热运动越剧烈,更多地发生碰撞或者其他相互作用,宏观物体表现出的温度就会越高,反之亦然。

不过,温度并非绝对的概念,我们无法直接说一个物体的温度是多高,需要设定一个参考标准。在生活中,我们最常用的摄氏温标以水的冰点作为0 ℃,以水的沸点作为100 ℃(都在一大标准大气压下),中间分100等份,基于此就能用于表示物体的温度。

最低温度是多少?

如上所述,温度表征的是粒子热运动剧烈程度,如果粒子完全静止,没有热运动,此时就会达到最低温度。在热力学中,最低温度被称为绝对零度,定义为0 K,这相当于-273.15 ℃。

然而,量子力学的不确定性原理表明,粒子的位置和速度不可能同时被精确测量出来,这就意味着粒子不能绝对静止。而相对论也表明,宇宙中不存在绝对静止的参照系,所以绝对静止的粒子不存在。

因此,绝对零度是无法达到的最低温度极限。既然这个温度无法达到,人们又是如何知道它等于-273.15 ℃呢?

这就要用到查理定律或盖-吕萨克定律。以盖-吕萨克定律为例,对于理想气体,如果气压恒定,那么,体积与温度之比就是一个恒定的常数。通过测定多组理想气体的体积-温度数据,就能拟合出一条直线,再进行外推就能算出绝对零度。

虽然我们在平时不会接触到接近绝对零度的温度,但宇宙的平均温度其实非常低,只有-270.42 ℃。物理学家在实验中还能创造出更低的温度,目前人类达到的最低温度为-273.149999999962 ℃,仅比绝对零度高了0.000000000038 ℃。

最高温度是多少?

另一方面,光速是粒子运动速度的上限,如果粒子达到光速,热运动最为剧烈,此时应该就会达到最高温度。但实际情况并非如此,因为粒子的速度无限接近光速时,动能将会变得无穷大。

在中学物理中,我们所学的动能公式为(Ek=1/2mv^2),就算速度达到光速,动能也是有限的。但事实上,这个公式并不适用于亚光速、光速的情况,只能在低速情况下使用。

在接近光速时,相对论效应将会变得极为强大,只能使用如下的公式:

事实上,如果速度足够低,上述公式经过泰勒级数展开之后,可以忽略高阶项,结果就能得到我们常用的动能公式,这其实是相对论在低速下的一个近似公式。

从相对论公式来看,粒子的速度无限趋于光速时,动能将会无限增大,这意味着温度可以变得非常高,并且是没有上限的。不过,目前的物理学理论无法描述过高温度乃至无限高温度之下的物理状态。

目前理论所能描述的最高温度为1.4×10^32 ℃,即1.4亿亿亿亿度,这就是普朗克温度。当温度达到这么高的程度时,主宰宇宙的四大基本作用力(引力、电磁力、强核力、弱核力)将会统一成为一个力,所有粒子都会变成纯能量,这种温度被认为只出现138亿年前宇宙大爆炸的最初一瞬间(5×10^-44秒之内),后来宇宙不断膨胀冷却,如今宇宙平均温度只比绝对零度高了2.73 ℃。

至于普朗克温度以上的物理状态,没人知道究竟是怎样的,也不知道该如何让温度达到那么高的程度,所需的物理学理论目前还没被创立出来。无论是最低温度,还是最高温度,都会让已知的物理定律崩溃,时间和空间的概念全部失去意义。 

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