-273.15℃,乍一看,这个数字似乎并非小得超乎想象。



然而,即便如此,人类却始终无法真正抵达这一温度,只能无限趋近。这一温度,便是著名的绝对零度,在开尔文温标中记为 0K。

与之形成鲜明对比的是,宇宙中的最高温度竟能飙升至 1.4×10³²K,即普朗克温度。



为何这两个温度之间存在着如此巨大的鸿沟?为什么人类无法触及绝对零度?

在宇宙的众多物理概念中,有些是物质与生俱来的本质属性,如质量、能量和自旋。即便没有人类,物质依然具备这些内在特性。

而温度则有所不同,它是人类为了衡量物体内分子或原子的平均动能(内能)而定义的物理量。倘若宇宙中存在外星人,他们很可能会采用截然不同的方式来描述物体所蕴含的内能。



从本质上讲,温度是物体内部分子和原子随机运动与振动的外在表现。分子和原子的随机运动越剧烈,它们所具有的动能就越高,物体表现出的温度也就越高,反之亦然。

以一杯 25℃的常温水为例,当我们向其中滴入一滴色素时,色素会相对缓慢地扩散开来。但如果水温升高,由于水分子的随机运动变得更加剧烈,色素的扩散速度也会显著加快。



不仅液体如此,固体金属同样遵循这一规律。在低温环境下,金属原子被化学键束缚在相对固定的位置上振动。随着温度的升高,原子获得了足够的动能,便会挣脱化学键的束缚,开始自由随机运动,金属也就随之液化。若继续加热,金属还会进一步气化。

前文提到,分子和原子的随机运动与振动是产生温度的根源。

因此,从理论上讲,当物体内的分子和原子完全静止时,物体就不再具有温度,这便是绝对零度的定义。绝对零度在开尔文温标中为 0K,换算成摄氏度约为 - 273.15℃。



然而,人类却无法使物体的温度降至绝对零度,这背后涉及到量子力学这一描述微观世界的基本理论。

量子力学中的不确定性原理表明,微观世界中的粒子无法同时确定其动能和位置,它们的测量值乘积必定大于普朗克常数的 1/2。



这就意味着,物质粒子永远不会停止运动。因为一旦粒子停止运动,其位置将变得完全不确定;而若要确定粒子的位置,其动能就可能在 0 到无穷大之间变化,这显然是相互矛盾的。基于不确定性原理,人类只能无限接近绝对零度,却永远无法真正达到这一温度。

通过前文的阐述,我们知道,只要让物质粒子的速度不断提升,其动能就会相应增加,所表现出的温度也会随之升高。

在日常生活中,物质粒子大多处于低速运动状态,这使得我们所处的环境温度更接近绝对零度,而远离宇宙的最高温度。



或许有人会认为,由于有质量的粒子无法达到光速,这可能就是宇宙最高温度的限制。但事实并非如此。

普朗克温度 1.4×10³²K,指的是宇宙诞生后第一个普朗克时间(10⁻⁴³ 秒)内宇宙的温度。在这一极端时期,宇宙中的所有能量都高度集中,达到了温度的巅峰。



然而,如此高的温度会使我们现有的物理法则完全失效。

让我们再次以一杯水为例,假设将这杯水置于一个封闭系统中持续加热,将会发生一系列奇妙的变化。



当温度升至 5500K 时,水分子将被完全分解;继续加热,原子会被电离,形成由原子核和电子组成的等离子体。当温度达到 80 亿 K 时,粒子间的碰撞会产生电子和正电子对;达到 200 亿 K 时,原子核会被电离,分裂成中子和质子;当温度飙升至 2 万亿 K 时,中子和质子也将无法稳定存在,而是转变为组成它们的夸克和胶子(夸克禁闭现象仅在低温条件下发生)。



当温度达到 2 千万亿 K(2×10¹⁵K)时,空间中会产生目前已知的所有粒子和反粒子,希格斯玻色子也会在这一温度下诞生,并停止与其他粒子相互作用。此时,空间中的所有粒子都将转变为无质量粒子,其行为类似于光子,并以光速运动。

尽管 2 千万亿 K 已经是一个极其惊人的温度,但与普朗克温度相比,仍然相距甚远。即便如此,这一温度也足以打破现有的物理法则。

那么,人类能否创造出普朗克温度呢?答案显然是否定的。



普朗克温度是宇宙诞生时的温度,蕴含着整个宇宙的能量。人类在宇宙的宏大尺度面前,渺小如尘埃,根本无法企及这一温度。要创造出普朗克温度,就意味着拥有引发宇宙大爆炸的能力,这远远超出了人类目前的认知和技术水平。

此外,整个可观测宇宙的能量是有限的,即便未来人类能够收集可观测宇宙中的所有能量,也无法创造出宇宙诞生时的极端温度,因为目前宇宙的大部分区域已经与我们失去了联系。

绝对零度看似离我们很近,这是因为宇宙自诞生以来,经过了 138 亿年的持续膨胀,已经冷却到了一个相对较低的温度。



我们生活在一个低速、低能量的宇宙环境中。然而,如果人类出现在宇宙诞生后的最初几秒钟,就会发现宇宙中到处都是高温,且温度接近极限温度,各种物质粒子都以光速飞行。

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