為什麼高溫可以無限,而低溫最低是-273.15℃?

宇宙最低溫度的限制是-273.15℃,也就是我們常說的絕對零度,有了具體數字的存在,而且也經常被人提起,所以我們都知道宇宙有極限低溫。但是極限高溫呢?一般我們很少提到極限溫度這個概念,所以導致我們很多人認為宇宙中的溫度是無限的,可以任意的升高,但是整個宇宙的能量是有限的,那麼又如何能存在無限高溫呢?下面我們就說下宇宙的最低溫度和最高溫度!

為什麼高溫可以無限,而低溫最低是-273.15℃?


首先我們瞭解下什麼是溫度

在物理學中,我們將有質量的粒子一般稱為物質粒子,例如:質子、中子、電子,而那些無質量的粒子則稱為輻射粒子,例如:光子。能量越高的物質粒子,說明其攜帶的動能越高,也就是運動速度越快,在宇宙學中我們會簡單地稱為“熱粒子”,而那些動能低,運動速度慢的粒子稱為“冷粒子”。能量越高的輻射粒子(光子),則擁有更短的波長、更高的頻率。

為什麼高溫可以無限,而低溫最低是-273.15℃?

我們在宇宙中所能看到的所有普通物質結構都是由原子構成的,當然一些物質是由原子組成的分子構成的,這些原子和分子在物質結構中並不是靜止不動的,而且一直在隨機運動或者振動,而隨機運動和振動的粒子就擁有了一定的動能,說明其攜帶一定的能量,這個能量就變現為物質結構內部的熱能。換句話說,粒子在物種中的隨機運動或者震動是物質產生熱量的根本原因。

為什麼高溫可以無限,而低溫最低是-273.15℃?

而溫度就是我們人類規定出來的,用以衡量物質中原子和分子所擁有平均動能的物理量。而絕對零度的定義是,物質中沒有任何原子或者分子運動的狀態,也就是物體的內能為0。而絕對零度也會讓,宇宙中的基本粒子的動能為0,失去運動速度。這就違反了量子力學中的不確定性原理,任何物質粒子的動能和位置不可能同時確定,它們的乘積必須大約普朗克常數的1/2。而且輻射粒子,光子攜帶的能量也不可能為0,只會無限地接近0。所以,宇宙中不可能存在靜止不動的粒子,也不可能存在不攜帶能量的光子,因此,絕對零度無法達到。

宇宙中的極限高溫

為什麼高溫可以無限,而低溫最低是-273.15℃?

我們知道整個宇宙中的所有物質和輻射粒子都來源於大爆炸,而大爆炸這個充滿能量的狀態來源於宇宙暴漲階段,既然宇宙有起源,那麼它肯定在過去的某個時刻存在極限高溫。而且我們知道宇宙中的能量是守恆的,所以在宇宙誕生到現在能量並沒有消失,那麼我們將目前宇宙中所有的物質都轉化為能量,並且將所有可能的能量形式都加起來,那麼我們就能知道宇宙誕生時的極限溫度了。

為什麼高溫可以無限,而低溫最低是-273.15℃?

在我們的可觀測宇宙中,目前存在著普通物質、暗物質、中微子、反中微子、輻射,以及空間中固有的能量,其中普通物質粒子大約有10^80,中微子和反中微子的數量大約在10^89,然後我們在加上所有的暗物質和暗能量,然後通過E=mc^2將所有的物質都轉化為純能量,而這個能量大約對應於10^103開爾文的溫度。所以,我們將可觀測宇宙中所有的能量都加在一起,是存在一個極限溫度的。

為什麼我們平時不說極限高溫呢?

為什麼高溫可以無限,而低溫最低是-273.15℃?

不說的原因是因為極限高溫對我們人類來說,可望而不可即。不像絕對零度那樣,目標就在眼前,雖然在理論上無法達到,但我們還可以通過技術手段無限的接近。而極限高溫說的正是極限能量,其實我們人類一直在粒子加速器中追求更高的能量,但是我們人類所創造的能量,在宇宙中根本不值一提,比不上一顆無時無刻正在發光的太陽,比不上一次超新星爆發、比不上宇宙射線對地球的轟擊、更比不上一次黑洞物質噴流和X射線、γ射線爆發。

而且在創造更高能量的過程中還會存在一些災難性的限制。

為什麼高溫可以無限,而低溫最低是-273.15℃?

當我們把非常大的能量聚集在一個很小的空間內,就會創造出一個黑洞。

不過這個黑洞並不是我們常見的那種能夠吞噬一切的大型黑洞,而是微型黑洞。當我們將足夠的能量附加於一個量子粒子,那麼在非常小的尺度上就會創造一個微型黑洞,這個能量大約為10^19GeV,但是微型黑洞由於質量非常小,會在極端的時間內通過霍金輻射衰變。因此,高能量下黑洞的形成,也會阻止人類創造極限高溫。

為什麼高溫可以無限,而低溫最低是-273.15℃?

在某一能量下,可能會重啟宇宙暴漲階段。宇宙的本質其實就是能量,能量可以創造一切,可以導致宇宙暴漲,可以誕生熱大爆炸狀態,可以創造出任何我們已知和未知的粒子,當能量達到一定的程度,就會造成空間呈指數膨脹。像是按下了宇宙重啟的按鈕。

因此,我們通常不說宇宙極限高溫是多少,因為在我們人類看來,高溫確實是無限的,因為我們永遠無法達到,而且宇宙中到底有多少能量其實我們並不是很清楚,一些數值只不過是我們人類估算出來的。所以討論極限高溫是沒有意義的。


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