为什么宇宙存在最低温度,而高温却可以无限?

说到物体温度是所有人最熟悉但也是最陌生的概念,熟悉的是我们每天都会看天气预报,看一天的最高温度和最低温度,好决定第二天搭配什么样的衣服。在此次疫情期间我们出入社区都需要测量自己的体温,也很清楚地知道体温在什么范围内是合格的。

在大部分人常规的理解中温度就应该是没有限制的,最高最低都可以是无限的,但实际情况远非如此,宇宙是有温度极限的,最低温度是绝对零度(0k),也就是-273.15摄氏度。而最高温度按照现在的科学体系来说也是有极限的,我们可以称之为普朗克温度,大约为1.42x10^32度,也就是经常出现的数据1.42亿亿亿亿度。

要理解宇宙的高低温度极限,首先要清楚地知道温度的概念,温度宏观上是衡量一个物体冷热状态的物理量,从微观角度来看,它表示的是物体分子热运动的剧烈程度,或者更准确的说是分子运动的平均动能大小。当微观分子运动的越剧烈,物体所表现出的温度值就越高。

那接下里的温度极限就好理解了,分子运动平均动能可以换一个角度来看,那就是分子的运动速度。正常理解下分子可以静止,速度最快为光速,那么按照这样的定义就可以出现温度极限了。但实际上并不正确,因为分子不可能静止,同时也不可能为光速,按照爱因斯坦的狭义相对论限制,有静止质量的物体永远都达不到光速,虽然分子是微观粒子,质量很小,但依然有静止质量。

其次是分子也不能完全的静止,这一点可以从量子力学的角度来切入,量子力学中非常核心的一个概念就是不确定性原理或者说测不准原理,简单的理解就是我们不能同时掌握微观量子的位置和动量,它们只能通过概率来表示,例如我们不能说一个量子就在A点,只能说它在A点的概率是多少。那么同样一个微观粒子也无法完全静止,那样的话位置和动量就是确定了,这就直接把量子力学推翻了。

因此从热力学角度来看,当微观粒子的平均动能降低到量子力学允许的最低点时,物体的温度达到绝对零度也就是-273.15摄氏度(0k)。但是这个理论的最低点是无法达到的,因此说绝对零度也是一个理论值,只能无限的接近,但并不能达到绝对零度。

宇宙的最低温度极限了解了,那接下来继续看宇宙的最高温度限制,前边提到了微观粒子速度光速,那就是温度的极限,但这里并不能这样理解。宇宙的最高温度应该是没有限制的,只不过超过某个值就变的没有意义了。

目前关于宇宙的起源都认为是138亿年前的奇点大爆炸,而在此之后宇宙经过不断地膨胀形成今天的模样,理论上来讲随着宇宙的膨胀温度是逐渐的下降的,那么在宇宙大爆炸后那个瞬间温度应该是最高的,我们把它称之为普朗克温度,科学家计算的数值为1.4亿亿亿亿摄氏度。

为什么会被称为普朗克温度?因为按照量子力学的观点,在宇宙大爆炸的瞬间我们可以把时间精确到10^-43秒,这就是时间的最小跨度了,我们把它称为普朗克时间,因此在这个时间跨度之后的温度就是最高温度极限普朗克温度了。其实还可以从另外的角度来考虑,如果物体温度高于普朗克温度,那么它就要辐射出波长小于普朗克长度的电磁波,但是目前普朗克长度就是有实际意义的最小长度,再低于这个长度在当前科学体系下就没有意义了。

目前为止我们并没有发现打破宇宙最高温度和最低温度的极限值现象,科学家在宇宙中发现的最低温度是1k(-272.15摄氏度),它来自于回力棒星云,这个星云位于半人马座距离地球5000光年。科学家分析产生这样低温的原因是星云在初期发生了绝热膨胀,气体快速膨胀对外做工,因此温度急剧下降。

可以说目前的宇宙高度温度极限并非是谁规定的,只不过是在我们目前的科学体系下推导出来的,低于绝对零度和高于普朗克温度在现在的科学体系之下都是没有意义的,并且在现实生活中也没有发现过这样的情况。

文/科学黑洞,图片来源网络侵删。