地球距離太陽不近也不遠,所以地球能夠接收到適中的熱量。再加上大氣層的保溫作用,地球的平均溫度可以保持在大約15 ℃,這讓地球上的大部分水維持液態,生命得以存在。
但另一方面,溫度可以變得很極端。只要冷到極致,或者熱到極致,不但生命無法存在,就連時間和空間本身的意義都會消失。那麼,最低和最高溫度分別是多少?為什麼溫度會牽扯到時空?
任何物體都有溫度,其根本來源是構成物體的粒子在做無規則熱運動。粒子熱運動讓物體有了內能,給物體帶來熱量。粒子的平均動能越大,產生的熱量越多,物體表現出的溫度也越高。因此,溫度從本質上反映的是粒子平均動能的大小。
最低溫度
顯然,粒子平均動能越小,溫度也就會越低。粒子平均動能最小為零,此時溫度將會達到最低值。不過,粒子的平均動能是不可能為零的,因為粒子不會絕對靜止,始終會存在某種形式的運動來產生熱量。
根據量子力學,如果粒子保持靜止,其速度和位置就能被同時精確測定,從而違背不確定性原理。另一方面,如果粒子沒有運動,這意味著宇宙中有絕對靜止參照系,從而違背相對論的相對時空觀。
因此,粒子的熱運動不會停止,最低溫度不可能達到。不過,可以通過理想氣體的查理-蓋-呂薩克定律,推導出最低溫度為零下273.15 ℃,這就是絕對零度。
如果真的達到絕對零度,這意味著量子力學和相對論都無法成立。在溫度為絕對零度的宇宙中,所有物體的運動會停止,能量不復存在,時空失去變化,時間和空間將會失去意義。
我們生活在十分空曠的宇宙中,零星點綴的恆星並不能給宇宙帶來多少熱量。事實上,宇宙其實非常冷,整個宇宙的平均溫度只有零下270.42 ℃,只比絕對零度高了2.73 ℃。
最高溫度
根據相對論,光速是宇宙最快速度,那麼,是不是當粒子的速度達到光速時,溫度將會達到最高呢?
事實上,只有光子這樣靜質量為零的粒子才能以光速運動,而且不會損耗掉。構成物體的粒子都是有靜質量的,它們的速度無法達到光速。
由於相對論的質增效應,粒子的動質量會隨著速度趨於光速而趨於無窮大,這會阻止粒子進一步加速至光速。當粒子的速度足夠接近光速時,其動能會變得足夠大,溫度也會達到目前理論的上限——普朗克溫度。
由於物體具有內能,它們會不斷向外輻射電磁波。如果物體的溫度超過普朗克溫度,它們所輻射出電磁波的波長將會短於普朗克長度(1.616×10^-35米),這是目前物理學中是沒有意義的,所以普朗克溫度被認為是最高溫度。
普朗克溫度可以通過理論計算出來,其大小約為1.4億億億億(1.4×10^32)度。一旦達到這個溫度,時間和空間都將會變得沒有意義,現有的物理學理論都會走向崩潰,無法描述這種極端的狀態。只有等到大統一理論問世之時,人類才有能力去窺探超越普朗克溫度的狀態。