我们每天都能感受到温度的变化,春夏秋冬,日出日落,温度都会起起落落,我们也会根据温度的不同选择不同的着装。
但是,你真的了解温度吗?很多人都知道温度存在极限最低值,也就是绝对零度,但并不知道也存在着最高温度极限。
今天就与大家一起聊一聊有关温度的那些东西,首先从温度的本质开始。
很多人会认为冷热就是温度,但这种定义太笼统,也很抽象,并没有明确定义温度到底是什么,如何衡量冷和热?
从物理学微观视角来看,宇宙万物都是由基本粒子构成的,而粒子并不是静止不动,而是一直在运动当中。物理学上把微观粒子运动的剧烈程度定义为温度。
不过粒子的运动都是无序的,而且数量非常多,我们很难通过单一粒子的运动情况判断物体的温度, 普遍利用的是统计学手段。
具体来讲就是,组成一个物体的粒子整体运动越是剧烈,表现出来的温度就越高。相反,粒子整体运动越不剧烈,温度就越低。
用物理学术语来讲,物体的温度可以用分子的平均动能来描述。当分子平均动能越低,温度自然就会越低。因此理论上讲,当分子的平均动能最低时,对应的就是宇宙中的最低温度。
这个温度就是绝对零度,零下273.15度。
那么高温呢?高温有没有极限呢?
在很多人的固有印象里,温度可以无限升高。理论上貌似也确实如此,刚才说了,温度与分子的平均动能息息相关,如果我们能让粒子的平均动能不断升高,温度不就可以无限高了吗?
但实际上我们是做不到这点的,且不说宇宙中存在光速限制,即便不存在光速限制,也无法做到让分子动能无限升高。
到底怎么回事呢?我们来具体分析一下,随着温度不断升高,会出现什么现象。
我们都知道自然界存在三种物质状态,分别是固态,液态和气态,这三种状态就是分子平均动能不断增加之后,出现的不同状态。从固态到液态,再到气态,分子的运动更剧烈,分子之间的距离也会变得更大,因而会影响到物体的宏观状态。
但如果给气体一直加热,会发生什么呢?
大家都知道,分子由原子组成,而原子由原子核和电子组成。原子核带正电,电子带负电,两者之间通过电磁作用束缚在一起,这种情况下,电子就不会乱跑,原子才会保持稳定。
才原子的稳定也是相对的。当外部输入能量足够高,电子就可以获得足够多的能量,足以让电子摆脱原子核的束缚,从而成为自由电子。这时候的物体状态就会呈现第四种:等离子态。
等离子体在宇宙中是很常见的,比如说我们的太阳,其实就是巨大的等离子体,当然其他恒星也是如此。太阳核心温度高达1500度,压强达到2500亿倍大气压。
那么,等离子体是不是物体状态的极限呢?如果一直给等离子体加热,最终会怎么样呢?温度会不会无限升高呢?
就目前的人类科技水平而言,利用大型粒子对撞机,让微观粒子以非常接近光速的速度碰撞,科学家们曾创造出几亿度的高温。理论上讲,如果粒子对撞机足够强大,还能制造出更高的温度。
我们很难想象几亿度的高温到底什么样,到底意味着什么。不过有一个问题,科学家们为何要去尝试创造如此高的温度呢?
主要目的就是模拟宇宙起源的环境。宇宙大爆炸是当今宇宙起源的主流理论,该理论认为我们的宇宙起源于138亿年前的大爆炸。
根据现有物理法则,我们并不知道宇宙大爆炸瞬间到底发生了什么,只知道宇宙大爆炸发生一个普朗克时间之后的事情。
因为普朗克时间是有意义的最短时间单位,任何小于普朗克时间的单位对于我们来讲都是没有一样的。因此,大爆炸发生之后一个普朗克时间之内到底发生了什么,我们并不知道,根据现有大自然法则,这段时间其实是没有意义的。
因此,对于我们来讲,大爆炸发生一个普朗克时间的瞬间温度,也就是普朗克温度,就是宇宙的最高温度,高达1.4亿亿亿亿度。之后宇宙不断膨胀,温度不断下降,开始形成各种基本粒子,还有四大基本作用力,再也没有出现过如此高的普朗克温度。
也就是说,普朗克温度只出现过一次,那就是宇宙大爆炸发生一个普朗克时间的瞬间温度!
进一步来讲,在不考虑技术问题的情况下,我们确实可以让温度不断升高,而在这个过程中,构成物质的基本粒子会逐渐走向衰亡,最终消失,同时四大基本作用力也会合并在一起,形成所谓的“超力”,最终成为纯能量状态,而这种状态下的温度就是普朗克温度。
说白了,这个过程就相当于把宇宙演化史进行倒放,一直倒放到宇宙大爆炸瞬间,就相当于我们创造了一个新的宇宙。
这也是为什么一旦创造了1.4亿亿亿亿度的普朗克温度,实际上就等同于创造了一个全新的宇宙。
纯能量的状态是很难去想象的,而纯能量的温度更是需要全新的视角去审视。至于宇宙大爆炸发生一个普朗克时间之前的状态,更是我们无法理解的,有科学家认为那种状态或许是“超时空”状态,而“超时空”的概念本身就是我们无法理解的,现代物理学也很难解释。