1.4億億億億℃熱到什麼程度?時間、空間和物理定律全都…


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1.4億億億億℃熱到什麼程度?時間、空間和物理定律全都崩潰!

對於物體的冷熱程度,我們通常會用具體的溫度進行定量表示,例如,氣溫是10 ℃,開水是100 ℃(1個標準大氣壓下)。溫度可以很高,太陽的中心溫度可達15,000,000 ℃,而最高溫度更是高達1.4×10^32 ℃,也就是1.4億億億億度。

那麼,物體的溫度究竟是怎麼來的呢?為什麼開水的溫度剛好是100 ℃,冰的溫度剛好是0 ℃?為什麼溫度會有上限?如果溫度達到上限又會怎樣?

宏觀物體都是由微觀粒子組成的,元素週期表中的118種元素構成了我們所知的物質世界。無論是原子,還是離子,或者分子都在做熱運動,包括平動、轉動、振動。粒子的熱運動貢獻了物體的內能,這就是物體的溫度來源。

因此,溫度本質上表徵了粒子熱運動究竟有多劇烈。粒子的熱運動越劇烈,物體的內能越高,表現出的宏觀溫度也就會越高,反之亦然。當粒子不再運動時,將會達到最低的絕對零度。

至於物體的具體溫度數值,則取決於定義方式。生活中最常用的是攝氏溫標(℃),它把水的冰點定義為0 ℃,沸點為100 ℃,以此為基准進行100等分。熱力學中最常用的為開氏溫標(K),把最低溫度定義為0 K,它與攝氏溫標的轉換關係為℃=K-273.15,即絕對零度為-273.15 ℃。

絕對零度作為溫度下限,這是不可能達到的。因為粒子的熱運動不可能停止,否則將會違背相對論和量子力學。另一方面,既然粒子運動越快,溫度越高,這是否意味著溫度能夠不斷上升,直至無限高呢?

關於這個問題,就不得不提到愛因斯坦的狹義相對論。根據相對論,宇宙中的物體運動速度是有上限的,那就是每秒將近30萬公里的光速。儘管相對論限制了速度上限,但卻沒有限制動能上限。

根據相對論的質速關係:

在低速的情況下,動質量(m)可以認為保持不變,採用靜質量(m0)即可。但當速度(v)足夠接近光速(c)之時,動質量將會急劇上升,直至趨於無窮大,這意味著動能也會隨之趨於無窮。

然而,根據量子力學,粒子的動能並不能無限大,溫度也不會無限高。因為隨著溫度的不斷升高,粒子的狀態會不斷發生變化,原子、質子、中子、電子等結構都會悉數崩潰。以質子為例,當極端的高溫把它們分解成夸克湯之後,每立方厘米的夸克湯重達400億噸。

當溫度達到普朗克溫度,即1.4億億億億度之時,主宰宇宙的四大基本自然作用力將會合併在一起,成為大統一力,現有的物理定律全部崩潰。此時,宇宙只有純能量,時間和空間也會失去意義。事實上,在138億年前,宇宙從無限小的奇點中誕生之初,就是處於這種極端的狀態。

物理學家通過粒子加速器,把粒子加速到亞光速狀態,讓它們互相碰撞,以產生極高的溫度,由此來了解早期宇宙的狀態。目前,物理學製造出的最高溫度為1×10^13 K,也就是10萬億度,但這距離普朗克溫度還差得很遠。

值得強調的是,普朗克溫度只是現有物理體系所能理解的溫度上限。也許溫度還可以變得更高,但要理解那種溫度狀態,需要一套超越目前物理學的大統一理論,而這正是當今物理學家所孜孜追求的真理。