1.4億億億億℃是個什麼概念?你對溫度和熱的理解可能有偏差

2020-12-17 李論科學

在生活中我們經常會感受到一個物體很熱、甚至燙手,而有些物體很冷、甚至刺骨,這是我們人類的感官帶來的真實感覺。

但是我們如何去表示一個物體的冷熱程度呢?我們總不能簡單的說一個物體很熱、一般熱、很冷、一般冷,這樣的說法很模糊。

所以我們就需要對一個物體自身所蘊含的熱能進行量化,因此就提出了溫度這個純粹的物理學概念,用來表示一個物體內所包含的熱能。

這樣我們只要一說溫度,就能很準確的理解一個物體有多熱,例如:一說0攝氏度你瞬間能想到這是地球表面上冰水混合物的溫度,這樣的溫度把手伸進去非常寒冷;

如果在低於這個溫度,水就會結冰。高於零度冰水混合物就會變為液態。

37攝氏度是我們人體的溫度,現在你摸下你的身體,就能感受到的這個溫度下的熱量;60攝氏度的水,雖然可以直接喝,但是這個溫度你會感覺到稍微有點燙嘴;100攝氏度是地球表面上水沸騰的溫度,這個熱量足以瞬間將人皮膚燙傷;

400攝氏度可以讓鉛融化,大約500攝氏度鐵就會發出暗紅色,達到1000攝氏度鐵就會發出刺眼白色光,1500攝氏度鐵就會融化,3000攝氏度鐵就會汽化,這個溫度下不會存在任何化學分子結構。

6000攝氏度就是太陽表面的溫度,這個溫度下基本上所有的原子都會被電離,只是失去電子多少的問題。

當然溫度在往上不僅沒有任何化學結構,而且已經沒有中性原子了,都是帶電的原子核以及電子組成的等離子體;

溫度在往上長,原子會失去更多的電子,當溫度達到400萬攝氏度的時候,在這個溫度下質量最小的恆星(8%太陽質量)就會進行緩慢的核聚變反應,將氫變為氦。

當溫度達到1500萬攝氏度,這個溫度是太陽核心的溫度,不僅能將氫變為氦,還能將氦變為碳、氮、氧。

但太陽只是宇宙中的一顆黃矮星,在宇宙中還有很多比太陽更大、質量更高、顏色更藍的恆星,它們核心的溫度能夠達到數十億(60億)攝氏度,一路將氫元素聚變到鐵元素,最後在一場巨大的爆炸中死亡。

說了這麼多回頭一看,才說到60億攝氏度,跟題目中的1.4億億億億℃相距甚遠,而且我們在宇宙的恆星中已經在找不到比這更高的高溫了。

怎麼辦?別著急,我們需要換個地方繼續尋找高溫。在這之前,我們先說下溫度和熱量的區別,因為很多人會把這兩個概念搞混,也為了方便理解下文。

首先溫度在宇宙中並不存在,我們開頭就有說到它是人為規定出來的,用來衡量一個物體所包含的熱能。

我們拿一杯水來舉例子,水是由水分子組成的,但是這些水分子在水中並不是靜止不動的,而是在做著毫無規律的隨機運動,運動的水分子就有一定的動能。

水分子隨機運動的劇烈程度(動能的高低)就代表了它所包含了多少熱能,動能越高,熱量越高,反之亦然。

換句話說,我們所說的熱量其實就是微觀層面上粒子所包含的動能,那麼在一個包含了很多粒子的系統中,它的熱量就是所有粒子的平均動能。

而溫度就是測量一個系統中粒子平均動能的物理量。因此溫度越高,粒子的平均動能就越高,熱量就越高,我們用手摸起來就越燙。

那麼我們如何能感覺到冷和燙呢?

我們拿空氣舉例子,我們的身體周圍都是大氣分子,這些分子也跟上圖中的水分子一樣在隨機運動,它們會不停的撞擊你身體表面。

如果溫度較低,例如今天氣溫只有10攝氏度,那麼這些空氣分子就運動的相對緩慢一些,也就是動能較低,當它們不斷撞到你身體並且反彈的時候,就會從你的身體上獲得一定的能量,轉化為自身的動能,這些空氣分子運動的速度就更快了。

而失去能量你,就會感覺到冷。反過來,今天的氣溫如果是40攝氏度,這些空氣分子運動的非常劇烈,包含的動能非常高,當它們撞擊到你的身體時,就會將一定的動能傳遞給你,而能量增加的你,就會感覺到酷熱難耐。

這就是溫度和熱量的概念,以及我們為何能感覺到冷熱。

下面我們繼續尋找1.4億億億億℃,恆星中沒有這樣的溫度,那麼我們只能回到宇宙中,並且是早期的宇宙,那個溫度極高、密度極高的時刻。

上文說到,溫度到了3000攝氏度有些原子就會被電離,那麼有沒有高溫能夠電離原子核的?其實還真有,在宇宙誕生的某一時刻,宇宙中沒有比氫(單個質子)更複雜的原子核了。

因為這時的溫度達到了200億攝氏度,質子和中子想要結合在一起形成更複雜的原子核就會被高能量的光子電離。

這個時候宇宙誕生不過3分鐘的時間,如果再早一些,宇宙誕生的1分鐘,溫度達到了2萬億攝氏度,這個時候質子和中子也會被分解為夸克和膠子,這是物質最基本的粒子不可再分。

宇宙誕生的1秒鐘,溫度達到了2千萬億攝氏度,在這個溫度下所有的粒子都以光速在宇宙中瘋狂的奔襲,碰撞,並且產生了所有已知和未知的反物質粒子。

包括我們一直在尋找的暗物質粒子,以及一些奇異粒子,如磁單極子。

貌似到這裡溫度再升高已經沒有意義了,確實溫度在往上並不會發生更多的現象了。但是宇宙最開始並不是這樣的溫度,要比這高出許多。

如果溫度在升高,宇宙並不會再產生更多的粒子,而且這些粒子的速度也不會超過光速,而是會表現得更像波的性質。

想光子一樣波長會更短,蘊含更多得能量。那麼宇宙最開始的溫度可以無限高嗎?

並不能,最高溫度正是1.4億億億億℃,這個溫度是宇宙剛誕生時的溫度,也是我們熟知的普朗克溫度1.4×10^32K,對應的時間為10^-36s。

這個溫度也是宇宙所包含的所能能量對應的溫度。

如果我們在創造出來一個這樣的溫度,就等於重新創造出了一個和我們宇宙一樣的宇宙。

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