有个最冷的绝对零度,为什么宇宙中没有绝对高温?

宇宙中是存在绝对高温的,只是它目前只存在于理论中,也就是大爆炸的起点温度。这是宇宙中所有的物质和能量聚集在一个普朗克尺度下的最高温度。但随着宇宙的膨胀、冷却,以及能量被封存在物质中,宇宙的温度也在持续下降。

绝对零度和绝对高温的定义

绝对高温的概念来自于绝对零度,我们应该还记得0 K, -273.15°C或-459.67°f,这就是我们所说的绝对零度。虽然平时所说的最低温度的简化定义是物质停止运动的那个点,但这在理论上是不正确的。绝对零度实际上是分子运动不再产生任何热量的点。

反过来说,绝对高温可以定义为无论在什么情况下,分子运动都不能产生更多热量的那一点。

不同理论模型下的最高温度

在标准的宇宙模型中,可能达到的最高温度发生在大爆炸后不到一秒(10^-43秒)。在这极短的时间内称为一个普朗克时间,宇宙被认为只有一个很小的普朗克长度(10^-35米),达到了10^32k的绝对高温称为普朗克温度。相比之下,我们的太阳中心只有可怜的1.571x10^7k,而人类创造的最高温度目前是5.5x10^12K。

除了普朗克温度是宇宙中理论上达到的最高温度外,物理学家们还假设,在任何高于普朗克的温度下,受影响粒子的引力将变得与其他基本力(电磁力、弱力和强核力)一样强,从而使这四种力统一为一种力。然后会发生什么呢?没有人知道,在那之后,目前公认的物理模型会崩溃。当然,所有这些都是理论上的预测,因为还没有人提出一个公认的引力量子理论。正如诺贝尔奖获得者史蒂芬·温伯格所描述的那样,在10^32k以上的温度下发生的任何事情都被“神秘的面纱”所掩盖。

值得注意的是,并不是所有的物理学家都遵循标准模型,有些人更喜欢,例如弦理论,它试图将所有四种基本力描述为一个基本物体弦的不同表现形式。对于弦理论家来说,可能的最高温度远低于标准模型假设的温度;它被称为哈格多恩温度,是指普通物质不再稳定,或者“蒸发”或变成夸克物质的温度。根据这个理论,发生这种情况的点或绝对高温,被认为只有10^30k,或大约1%的普朗克温度。所以关于宇宙的最高温度目前只是理论上的预测,但肯定有最高温度。

我们能否创造最高温度

虽然把一个物体加热到接近普朗克温度的程度远远超出了我们目前的技术水平,但把一个物体冷却到接近绝对零度则不然。例如,2015年,麻省理工学院的研究人员成功地将钠钾分子的温度降低到只有500纳开尔文,即1K的5000亿分之一。

阻止地球绕太阳运行所需的能量约为2.6478×10^33焦耳或7.3551×10^29瓦时或6.3285×1017兆吨TNT。作为参考,有史以来最大的核爆炸(苏联的沙皇炸弹)“仅”产生了50兆吨TNT能量。所以大约需要12657,000,000,000,000颗核弹在正确的位置爆炸才能使地球停止在它围绕太阳的轨道上。所以想要用核反应制造最高能量是不可能的。

如果我们能够将物质完全转化为能量,1千克的物质完全湮灭,那么这一小部分物质产生的能量大约是42.95兆吨TNT。所以一个成年男性的体重在150斤左右,如果这些物质完全湮灭的话,可能有4000兆吨TNT当量。这比之前提到的沙皇炸弹产生的能量多80倍,沙皇炸弹产生的能量是广岛和长崎原子弹爆炸的1400倍。

为了进一步说明,100万吨级的TNT在转换成千瓦时时,所产生的电力足以供一个普通家庭使用10万年。它也足够为整个中国供电3天多一点。所以1千克的某些物质被完全湮灭可以为整个中国提供大约4个月的能量。一个普通的成年男性,如果被完全湮灭,将产生足够的能量为中国提供30年的能源,如果我们可以利用所有这些能量,能源危机将会解决。

还有一个典型的超新星爆炸会释放出大约10万万亿兆吨的TNT。但是离大爆炸时的能量还差得远。因此最高温度只存在于理论中,大爆炸后能量一直在下降,转化成了各种物质。如果想要重新获得宇宙的最高温度,那么必须让所有的物质重新释放出能量。