宇宙最高温度是1.4亿亿亿亿度,为什么最低温只有-273度?

我们常常能听到“绝对零度”的概念,并且有些人认为这是宇宙中理论上的最低温度(实际上,并不是,下文我们会提到具体原因)。那么,宇宙到底存不存在最高温度呢?

我们可以先给出答案:宇宙是存在最高的温度的。具体咋回事呢?

我们今天就来聊一聊这个话题。

温度

温度是衡量物体冷热程度的物理量,也就是和热现象有关。要了解温度的本质,我们需要从微观视角来看。我们知道,宇宙中的万物都是由微观粒子构成的。著名的物理学家费曼曾经提出过一个想法,他在他的著作《费曼物理学讲义》中写道:如果发生了某种大灾难,所有的科学知识都丢失了,只有一句话可以传下一代人,那么怎么样才能用最少的词汇来传达出最多的信息呢?我认为这句话应该是原子假设。

这里的原子假设就是所有的物体都是由原子构成的。费曼这句话是很有道理的,微观世界确实决定了整个宇宙的性质。

温度其实就和微观粒子的运动有关。微观粒子在构成物质时,并非是整整齐齐一动不动的,相反,它们是一直在乱动,我们甚至很难精确地描述这种运动。

虽然我们无法描述一个个粒子,但是我们还有统计学的办法来得到粒子的平均动能。科学家发现,粒子的平均动能越大,说白了就是粒子整体运动得越欢快,这时温度就越高。反之就是,粒子的平均动能越大,粒子整体运动得不欢快,温度就越低。

通过上面的描述,我们自然而然地会想,如果这些粒子都完全不动,是不是对应的就是最低温度呢?

虽然这很符合直觉的,但这其实是错的。上世纪,量子力学的发展,让我们知道微观粒子是具有波粒二象性的。这个性质描述让我们知道,微观粒子的行为是和宏观完全不同的,不是确定性的,而是概率性的。因此,微观粒子不可能完全停在某个位置上。

因此,最低温度对应的是粒子平均动能最低时的温度,这时候粒子还会在一定范围内振动,只是幅度相对小。而这个温度就是绝对零度,零下273.15度。

但是这里要补充一句,根据热力学第三定律,绝对零度是达不到的。因此,绝对零度并不是宇宙的最低温度,宇宙中的温度再低都会高于绝对零度。

那宇宙的最高温度又是从哪里来的呢?

难道这个温度就对应的是粒子最高动能的状态?

宇宙的最高温度

宇宙的最高温度来自于宇宙大爆炸的初期。按照我们目前主流的宇宙学理论,宇宙应该是诞生于138亿年前的一次大爆炸。目前关于宇宙大爆炸的理论是基于标准宇宙模型而来的,相关的证据是哈勃观测到的星系红移、宇宙微波背景辐射、氦原子丰度。

这里补充一句,我们并不知道为什么发生大爆炸,更不知道大爆炸之前到底是什么。很多人以此来质疑标准宇宙模型。其实我们可思考一下,我们目前只是不知道,并不是说就不存在。这就好比,一个孤儿,他不知道他的父母是谁,那这会影响到他真实存在这件事吗?

其实并不会,我们现在所掌握的理论和证据就好比是证明了这个孤儿存在,只是我们没有掌握到为什么会出现这个孤儿和他父母是谁而已。

说回到正文,我们其实还不知道一件事,这就是宇宙大爆炸之后普朗克时间内发生的事情,这个普朗克时间是5.4*10^-44秒。这是因为我们目前的物理学理论无法描述这么短时间间隔内的变化。或者说,我们目前的物理学理论认为这个时间尺度是时间变化的最小单位了。

普朗克时间之后,宇宙所对应的温度就是目前我们所知道的宇宙最高温度,这个温度是1.4亿亿亿亿度,也就是1.4*10^32K。这时候的宇宙内部存在着都是高能光子。

随后,宇宙剧烈地膨胀,宇宙的温度随着空间的膨胀,温度逐渐降低,在这个过程中,各种粒子逐渐形成,又相互湮灭,循环往复,每10亿对正反粒子湮灭,会留下一个正粒子。这也是为什么宇宙是正物质构成的原因。

在宇宙大爆炸后38万年内,宇宙就像一锅粒子粥,其中各种粒子挤在一起,由于光子参与到电磁相互作用,因此,也被约束在其中。宇宙大爆炸后38万年,温度降低3000K左右,这时候原子结构得以形成,光子得以在宇宙中传播,成为遍布全宇宙的背景辐射,也被我们称为宇宙微波背景辐射。

如今我们还能探测这些光子,说白了就是宇宙大爆炸的余热,温度是2.72K。也就是说,宇宙的温度从138亿年前的1.4亿亿亿亿度一直降到了现在只比绝对零度高2.72度。

总结

宇宙的最高温度是1.4亿亿亿亿度,它是宇宙大爆炸后5.4*10^-44秒所对应的温度,随后宇宙的温度随着空间的膨胀而逐渐下降,直到现在只有2.72度。而宇宙中最低温度才是未知的,但是我们知道它是无限接近于绝对零度,而无法到达绝对零度。