有個最冷的絕對零度,那宇宙中為什麼沒有絕對高溫?

2020-12-05 李論科學

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宇宙中是存在絕對高溫的,只是它目前只存在於理論中,也就是大爆炸的起點溫度。這是宇宙中所有的物質和能量聚集在一個普朗克尺度下的最高溫度。但隨著宇宙的膨脹、冷卻,以及能量被封存在物質中,宇宙的溫度也在持續下降。

絕對零度和絕對高溫的定義

絕對高溫的概念來自於絕對零度,我們應該還記得0 K, -273.15°C或-459.67°f,這就是我們所說的絕對零度。雖然平時所說的最低溫度的簡化定義是物質停止運動的那個點,但這在理論上是不正確的。絕對零度實際上是分子運動不再產生任何熱量的點。

反過來說,絕對高溫可以定義為無論在什麼情況下,分子運動都不能產生更多熱量的那一點。

不同理論模型下的最高溫度

在標準的宇宙模型中,可能達到的最高溫度發生在大爆炸後不到一秒(10^-43秒)。在這極短的時間內稱為一個普朗克時間,宇宙被認為只有一個很小的普朗克長度(10^-35米),達到了10^32k的絕對高溫稱為普朗克溫度。相比之下,我們的太陽中心只有可憐的1.571x10^7k,而人類創造的最高溫度目前是5.5x10^12K。

除了普朗克溫度是宇宙中理論上達到的最高溫度外,物理學家們還假設,在任何高於普朗克的溫度下,受影響粒子的引力將變得與其他基本力(電磁力、弱力和強核力)一樣強,從而使這四種力統一為一種力。然後會發生什麼呢?沒有人知道,在那之後,目前公認的物理模型會崩潰。當然,所有這些都是理論上的預測,因為還沒有人提出一個公認的引力量子理論。正如諾貝爾獎獲得者史蒂芬·溫伯格所描述的那樣,在10^32k以上的溫度下發生的任何事情都被「神秘的面紗」所掩蓋。

值得注意的是,並不是所有的物理學家都遵循標準模型,有些人更喜歡,例如弦理論,它試圖將所有四種基本力描述為一個基本物體弦的不同表現形式。對於弦理論家來說,可能的最高溫度遠低於標準模型假設的溫度;它被稱為哈格多恩溫度,是指普通物質不再穩定,或者「蒸發」或變成夸克物質的溫度。根據這個理論,發生這種情況的點或絕對高溫,被認為只有10^30k,或大約1%的普朗克溫度。所以關於宇宙的最高溫度目前只是理論上的預測,但肯定有最高溫度。

我們能否創造最高溫度

雖然把一個物體加熱到接近普朗克溫度的程度遠遠超出了我們目前的技術水平,但把一個物體冷卻到接近絕對零度則不然。例如,2015年,麻省理工學院的研究人員成功地將鈉鉀分子的溫度降低到只有500納開爾文,即1K的5000億分之一。

阻止地球繞太陽運行所需的能量約為2.6478×10^33焦耳或7.3551×10^29瓦時或6.3285×1017兆噸TNT。作為參考,有史以來最大的核爆炸(蘇聯的沙皇炸彈)「僅」產生了50兆噸TNT能量。所以大約需要12657,000,000,000,000顆核彈在正確的位置爆炸才能使地球停止在它圍繞太陽的軌道上。所以想要用核反應製造最高能量是不可能的。

如果我們能夠將物質完全轉化為能量,1千克的物質完全湮滅,那麼這一小部分物質產生的能量大約是42.95兆噸TNT。所以一個成年男性的體重在150斤左右,如果這些物質完全湮滅的話,可能有4000兆噸TNT當量。這比之前提到的沙皇炸彈產生的能量多80倍,沙皇炸彈產生的能量是廣島和長崎原子彈爆炸的1400倍。

為了進一步說明,100萬噸級的TNT在轉換成千瓦時時,所產生的電力足以供一個普通家庭使用10萬年。它也足夠為整個中國供電3天多一點。所以1千克的某些物質被完全湮滅可以為整個中國提供大約4個月的能量。一個普通的成年男性,如果被完全湮滅,將產生足夠的能量為中國提供30年的能源,如果我們可以利用所有這些能量,能源危機將會解決。

還有一個典型的超新星爆炸會釋放出大約10萬萬億兆噸的TNT。但是離大爆炸時的能量還差得遠。因此最高溫度只存在於理論中,大爆炸後能量一直在下降,轉化成了各種物質。如果想要重新獲得宇宙的最高溫度,那麼必須讓所有的物質重新釋放出能量。

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