科學也可以如此靠近

宇宙最高溫度是多少?1億億億億攝氏度!卻只存在過一個瞬間

7月
12
2018

2018年7月12日13時 今日科學 科學認識論

科學認識論

我們生活中常說一個物體的溫度高低是用冷熱來描述的,然而我們很少接觸到極寒或極熱的環境。在我們生活中,通常定義標準大氣壓下水的凝固點為0攝氏度,水的沸點為100攝氏度。你可能會認為水之所以冷,是因為它的溫度更接近冰。在中學課本上,我們完全不知道溫度代表的真實宇宙規律是什麼,只知道溫度是反映了一個物體的冷熱程度!

其實溫度的本質代表的是微觀物質運動的劇烈程度。我們知道,所有的物體都是由最基本的分子,原子構成的。而這些粒子無時無刻都處於運動中的,既然它們都在運動,那麼就有運動的劇烈程度之分!微觀粒子運動地越劇烈在宏觀上就體現出溫度越高。

與其說宇宙中的最低和最高溫度是多少?還不如說微觀粒子運動的劇烈程度的最低和最高極限是多少?

以電子繞原子核運動為例,電子的運動可以有很大的動能,也可以有很小的動能。當電子達到量子力學的動能下限時,那麼這時候的原子就不會向外輻射能量了。當一個物體內的所有原子,分子都處於量子力學的最低動能時,那麼它們就好似靜止了,運動的劇烈程度降低到極限,那麼溫度就達到了真正意義上的絕對零度,也就是-273.15℃,這時候的物體不會發出任何電磁輻射,因為它已經沒有一絲絲的能量往外界釋放了。但是絕對零度只是量子理論預算出的結果,在宇宙空間中,還沒有真正意義上的絕對零度物體!

既然我們知道絕對零度的真正物理意義,那麼宇宙中的最高溫度也就可以得出來了。如果構成一個物體的所有微觀粒子都特別劇烈的運動起來,那麼這個物體的溫度可以變得異常的高。而根據相對論,任何物質的運動的速度都不能超越光速,包括宏觀的星體和微觀的原子,電子等。那麼我們可以設想一個物體內部的所有粒子都接近光速做劇烈的運動,那麼這個時候的溫度,就是宇宙中最高的溫度,這也就是傳說中的普朗克溫度,大概是

1.416833(85)×10^32 K,大約為1億億億億攝氏度。太陽的中心溫度才不過2000萬攝氏度,人造太陽也是人類能創造出的最高溫度也不過1億攝氏度。這些溫度和普朗克溫度相比,簡直差了幾十個數量級。宇宙中沒有比普朗克溫度還高的溫度了,因為再高的溫度就意味著微觀粒子突破光速運動了,顯然這是不符合相對論的!

現在的宇宙不僅在加速膨脹而且還在加速降溫,所以目前的宇宙中沒有任何地方可以達到普朗克溫度。但宇宙中確實存在過極其短暫的普朗克溫度,那便是在奇點大爆炸的第一個瞬間。因為在宇宙大爆炸之前,沒有物質,沒有時間,更沒有溫度。

138億年前,宇宙中突然有一個奇點爆炸,才瞬間炸出了世間會所有的物質。那麼在爆炸的第一個瞬間,物質的運動就無限接近光速,所以溫度達到了普朗克溫度,隨後的空間還在不斷加速膨脹,導致溫度加速下降。直到現在,宇宙的平均溫度還在下降!


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