1.4億億億億°C,宇宙溫度的上限?

2021-02-15 瑩尾狐

在地球表面,人類記錄最高氣溫是在1913年7月10日的美國加利福尼亞州的死亡谷,氣溫高達56.7℃,但和3000℃的地幔,5500℃的地核比起來,人類記錄到的「最高氣溫」顯然不值一提。

像太陽這樣的中等質量黃矮星,在生命末期往往會生成一顆密度極大的白矮星,這種由原子和原子緊緊排列在一起而形成的天體,核心區域溫度達到了1億℃。

而比太陽質量更大的恆星,在生命末期會生成一顆中子星,核心溫度10億℃,理論上存在的「夸克星」如果被發現,核心溫度肯定還會打破10億℃。

以上這些宇宙常見天體的溫度,基本上就是目前宇宙中的「天然溫度記錄」了,但它們都遠遠比不上人類科學家創造的溫度。


「溫度的本質是粒子運動」,所以粒子運動速度最快的地方就是溫度最高的地方,在宇宙裡這種地方一般是天體核心區域,或者靠近黑洞的吸積盤。

而在地球上,「粒子運動速度最快的地方」是對撞機內部,因此人造高溫記錄也只能出現在對撞機內部。

在「一般」的對撞機裡,金離子對撞溫度是4萬億℃,而在目前地球上最強大的歐洲大型強子對撞機裡,質子轟擊原子核瞬間的溫度可達10萬億℃,如此高溫下物質已不具備形體,而是以「夸克湯」形式存在著。

但10萬億℃的記錄肯定也會被打破,因為高能物理學家們覺得現有的對撞機功率太小了,所以歐洲大型強子對撞機正在升級。

大型粒子對撞機

假以時日新的對撞機開機後,飛行速度進一步逼近光速的粒子對撞實驗必將產生新的人造高溫記錄。

那麼人造高溫的徵程會像遇到零下273.15℃的絕對零度一樣,遇到「高溫瓶頸」嗎?


根據「溫度等同於粒子運動速度」這一理念,溫度的上限其實也是速度的上限,而我們宇宙的速度上限則是每秒三十萬公裡的真空光速。

德國物理學家   普朗克

根據狹義相對論,組成物體的粒子如果被加速到無限趨於光速,粒子的動能將會趨於無窮大,這就意味著物體的溫度會無限高。那麼,普朗克溫度作為溫度上限又是怎麼來的呢?

當溫度高到一定程度之後,引力會強大到與另外三種基本力統一在一起,任何物質都無法存在,就連夸克等基本粒子也無法存在,所以更高的溫度已經失去意義。

這個溫度就是普朗克溫度,具體大小約為1.4億億億億度。物理學上將此時的溫度命名為「普朗克溫度」。

迄今為止,代表溫度上限的普朗克溫度只在宇宙大爆炸瞬間出現過,當時還沒有粒子「們」的概念(如電子、光子等粒子),四大基本作用力也還是一個力,甚至可以說物理學也是從那一刻才誕生的。


現如今人類發現的宇宙規律並不是宇宙的全部,也就是說宇宙中肯定還有未被發現的規律,等待著人類去發現。

宇宙大爆炸模擬圖

1.4億億億億℃的普朗克溫度,僅僅是現有理論下的溫度上限,如果發現新規律,那麼這個所謂的「溫度上限」可能會被改寫。

小夥伴們,對於宇宙溫度上限有什麼看法呢?


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    按照我們目前主流的宇宙學理論,宇宙應該是誕生於138億年前的一次大爆炸。目前關於宇宙大爆炸的理論是基於標準宇宙模型而來的,相關的證據是哈勃觀測到的星系紅移、宇宙微波背景輻射、氦原子豐度。 普朗克時間之後,宇宙所對應的溫度就是目前我們所知道的宇宙最高溫度,這個溫度是1.4億億億億度
  • 宇宙最高溫度是1.4億億億億度,為什麼最低溫只有-273度?
    按照我們目前主流的宇宙學理論,宇宙應該是誕生於138億年前的一次大爆炸。目前關於宇宙大爆炸的理論是基於標準宇宙模型而來的,相關的證據是哈勃觀測到的星系紅移、宇宙微波背景輻射、氦原子豐度。普朗克時間之後,宇宙所對應的溫度就是目前我們所知道的宇宙最高溫度,這個溫度是1.4億億億億度,也就是1.4*10^32K。這時候的宇宙內部存在著都是高能光子。
  • 宇宙最高溫度高達1.4億億億億度,為何最低溫只有-273度?
    根據物理理論的推斷,我們宇宙是存在最高溫度和最低溫度的;由於我們把水的三相點定義為273.16K,在攝氏溫度中把冰水混合物定義為0℃,所以最低溫度就為-273.15℃,最高溫度為1.416833*10^32 K。
  • 為什麼宇宙中最高溫度達到1.4億億億億度,最低溫度卻是-273度?
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    在整個尺度下,宇宙是存在著最高溫和最低溫度的,其中最高溫是1.4*10^32K(1.4億億億億K,K是溫度的單位卡爾文),最低溫度是絕對零度0K,也就是零下273.15℃。宇宙大爆炸第一瞬間的溫度關於宇宙起源和演化的理論被稱為標準宇宙模型,如今也被叫做Λ-DCM模型,其中Λ代表暗能量,DCM代表冷暗物質,這個模型的基礎是宇宙大爆炸模型。按照這個理論,我們知道,宇宙起源於138.2億年前的一場大爆炸。關於這場大爆炸,我們如今所掌握的關鍵證據一共有三點:
  • 當溫度超過1.4億億億億克耳文時,我們稱之為普朗克溫度
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    恆星就是一個大火球,以太陽為例,其表面的溫度大約為5500攝氏度,其內部的核心溫度為1500萬攝氏度,而某些超大質量恆星內部的溫度可以達到數10億度。實際上,宇宙中既存在溫度下限,也存在溫度上限。溫度的上限宇宙中的最高溫度是普朗克溫度,它是138億年前宇宙大爆炸開始後第1個普朗克時間內的宇宙溫度。普朗克時間,即5.4×10^-44秒,這是量子世界中的最小時間間隔,沒有比這更短的時間了。