在日常生活里,我们都有过这样的体验:触碰某些物体时,会感觉炽热烫手;而接触另一些物体时,则会觉得冰冷刺骨。这些都是人体感官带来的直观感受。

然而,仅仅用很热、一般热、很冷、一般冷来描述物体的冷热程度,显然太过模糊。



为了能更精确地表示物体的冷热状态,科学家引入了温度这一物理学概念。它用于量化物体所蕴含的热能,让我们能通过具体的数值,清晰地了解物体的冷热程度。

例如,提到 0 摄氏度,大家立刻就能联想到地球表面冰水混合物的温度,把手伸进冰水混合物中,会感到十分寒冷。当温度低于 0 摄氏度,水会结冰;高于 0 摄氏度,冰水混合物则会变成液态水。



37 摄氏度是人体的正常体温,此刻摸摸自己的身体,就能感知到这个温度的热量。60 摄氏度的水可以饮用,但会让人感觉有点烫嘴。100 摄氏度是地球表面水的沸点,这个温度的水足以瞬间烫伤皮肤。



随着温度的升高,物质会发生奇妙的变化。

400 摄氏度能使铅熔化,大约 500 摄氏度时,铁会发出暗红色的光,达到 1000 摄氏度,铁发出的光变得刺眼发白,1500 摄氏度时铁会熔化,3000 摄氏度时铁会汽化成气态,在这个温度下,化学分子结构无法稳定存在。

太阳表面的温度约为 6000 摄氏度,在如此高温下,几乎所有原子都会发生电离,只是失去电子的数量有所不同。



温度继续上升,原子会失去更多电子。当温度达到 400 万摄氏度时,质量仅为太阳 8% 的最小恒星,会开始缓慢进行核聚变反应,将氢聚变成氦。太阳核心的温度高达 1500 万摄氏度,在这里,氢不仅能聚变成氦,氦还能进一步聚变成碳、氮、氧等元素。

太阳只是宇宙中一颗普通的黄矮星,宇宙中还有许多比太阳更大、质量更高、颜色更蓝的恒星,它们核心的温度能达到数十亿(60 亿)摄氏度,能够将氢元素一路聚变到铁元素,最终在一场剧烈的爆炸中走向终结。



尽管 60 亿摄氏度已经极其惊人,但与我们要探寻的 1.4 亿亿亿亿℃相比,仍相差甚远。在宇宙中的恒星上,我们已很难找到更高的温度了。那么,1.4 亿亿亿亿℃究竟存在于何处?

在继续寻找之前,有必要先厘清温度和热量这两个容易混淆的概念。

严格来说,温度并非客观存在于宇宙之中,它是人类为了衡量物体的热能而定义的物理量。

以一杯水为例,水由水分子构成,这些水分子在水中并非静止不动,而是做着无规则的随机运动,运动的水分子具有动能。



水分子随机运动的剧烈程度,即动能的大小,决定了水所包含热能的多少。动能越高,热量越大;反之,动能越低,热量越小。也就是说,热量本质上是微观层面粒子所具有的动能,在一个包含众多粒子的系统中,系统的热量等于所有粒子动能的平均值。

而温度则是用来度量一个系统中粒子平均动能的物理量。温度越高,粒子的平均动能就越大,热量也就越高,我们触摸物体时就会感觉越烫。

我们以空气为例,来看看人类是如何感知冷热的。

我们的身体周围充满了大气分子,这些分子如同水分子一样,在做着随机运动,并不断撞击人体表面。当气温较低,比如只有 10 摄氏度时,空气分子的运动相对缓慢,动能较低。

它们撞击人体并反弹时,会从人体获取一定的能量,自身动能增加,运动速度加快。而人体由于失去能量,就会感觉到冷。



相反,当气温高达 40 摄氏度时,空气分子运动极为剧烈,动能很高。它们撞击人体时,会将部分动能传递给人体,人体获得能量后,就会感到酷热难耐。

既然在恒星中找不到 1.4 亿亿亿亿℃的高温,我们就把目光投向早期的宇宙。

在那里,温度极高,密度极大。前面提到,3000 摄氏度时部分原子会被电离,那么是否存在能电离原子核的高温呢?答案是肯定的。在宇宙诞生后的短短 3 分钟内,宇宙温度达到了 200 亿摄氏度,此时,质子和中子试图结合形成更复杂的原子核,但会被高能量的光子电离。



再往前追溯,宇宙诞生 1 分钟时,温度飙升至 2 万亿摄氏度,质子和中子被分解为夸克和胶子,这是构成物质的基本粒子,无法再进一步细分。

当宇宙诞生仅 1 秒钟时,温度达到了 2 千万亿摄氏度,在这个极端高温下,所有粒子都以光速在宇宙中疯狂穿梭、碰撞,不仅产生了所有已知和未知的反物质粒子,还可能诞生了暗物质粒子以及磁单极子等奇异粒子。



看起来,温度再升高似乎不会引发更多新的物理现象了。

实际上,温度继续上升,宇宙并不会产生更多种类的粒子,粒子的速度也无法超越光速,反而会表现出更明显的波动性,其波长会像光子一样变得更短,蕴含的能量则更高。那么,宇宙最初的温度是否可以无限高呢?



答案是否定的。

宇宙的最高温度为 1.4 亿亿亿亿℃,这就是著名的普朗克温度,用科学计数法表示为 1.4×10^32K,对应的时间是宇宙诞生后的 10^-36 秒。



这个温度代表了宇宙所蕴含的全部能量,倘若能够创造出这样的温度,就相当于创造出了一个与现有宇宙相同的新宇宙 。

ad1 webp
ad2 webp
ad1 webp
ad2 webp