在地球上,人类曾经记录到的最高气温是56.7摄氏度。如果是地表,最高温度则要更高。而深入地球内部,温度会变得越来越高。到了两千多公里深的地幔,温度可以超过3000度。而到了最深处的地心,温度更是高达5500度。
太阳的温度则要更高,其表面温度就与地心相当,中心的温度可达1600万度。对于太阳这样的恒星,它们死亡之后,核心会暴露在外,并且坍缩成白矮星。白矮星更热,其表面温度可达10万度,核心温度可达1亿度。
如果是质量更大的恒星,它们耗尽核心燃料之后,核心会坍缩成炽热致密的中子星。中子星的表面温度估计可达60万度,中心温度超过10亿度。当两颗中子星发生碰撞时,将会释放出巨大的能量,主要是电磁辐射和引力波,并产生高达3500亿度的极高温度。
人类制造的最高温度
虽然宇宙中的天体可以通过自发的过程变得很热,但人类在实验中制造出了更高的温度。
在相对论性重离子对撞机(RHIC)中,金离子被加速到亚光速,它们之间发生猛烈碰撞,产生了4万亿(4×10^12)度的高温。在这种温度下,物质无法维持常规状态,而是会被分解成夸克-胶子等离子体,即夸克汤。
对于常规温度下的物质,它们都是由质子和中子构成。质子和中子又是由更小的夸克组成,这两种粒子都是重子。由于色禁闭,夸克受到约束无法单独存在,胶子负责夸克之间的力传递。
但在足够高的温度和密度下,质子和中子将会分解成夸克汤。夸克与胶子不受约束,成为一坨致密的东西,其密度高达400亿吨/立方厘米。
人类所制造出的最高温度还要更高一个数量级。在大型强子对撞机(LHC)中,物理学家用高能质子猛烈撞击重原子核,结果产生了温度达到10万亿度的夸克汤。
那么,最高的温度是多少度?温度可以无限升高吗?
从本质上来说,温度反映的是微观粒子热运动的剧烈程度。如果粒子的能量越高,热运动越剧烈,宏观表现出的温度也会越高。粒子的速度极限是光速,那么,这是否意味着粒子达到光速时,温度也会达到最高呢?
事实上,构成物质的微观粒子都是有静质量的,它们的速度达不到光速。但在无限接近光速的过程中,粒子的动能会趋于无穷大,那么,这是否意味着温度可以无限升高呢?
根据现有的理论,当物体的温度变得足够高时,它们辐射出的波长将会小于最短长度——普朗克长度(1.6×10^-35米),这样就没有物理意义了。此时对应的温度被认为是最高的温度,这就是普朗克温度,其大小为1.4亿亿亿亿度。
普朗克温度
在普朗克温度下,量子力学和广义相对论全部失效,时间和空间都会崩溃掉,变得没有意义,所有的粒子都不复存在,四大基本力都会统一成一个力。根据标准宇宙模型,我们的宇宙只有在最初诞生的一瞬间,也就是第一个普朗克时间(5.4×10^-44秒),才达到过这个极限温度。
不过,也许还有超过普朗克温度的更高温度。当温度超过普朗克温度时,量子效应和引力效应都会变得十分显著,我们现在还没有一套能够同时描述量子和引力的理论,所以对于更高的温度无法描述。如果未来能够出现统一量子力学和广义相对论的量子引力理论,我们就有能力理解普朗克温度之上的物理状态。