温度是否有限制?如果让一杯密封的水持续升温,会发生什么?

温度是表示物体冷热程度的物理量,微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。

我们听说过宇宙中有绝对零度,也就是任何物质中分子和原子停止热运动的那个点,但我们从来没有听说过绝对高温,那么自然界中是否存在最高温度,或者是否高温本身就没有上限?今天我们就谈论下这个问题。

我们先从初中知识说起,然后从这里开始升温。

假如将食用色素滴入不同温度的水中,会看到什么?水的温度越高,食用色素在水中扩散的速度就越快。

为什么会这样呢?因为水的温度决定了水分子的运动速度。也就是说较热的水里的单个水分子会以更快的速度运动,这就造成了食用色素颗粒在较热的水里比在较冷的水里移动得更快。

如果我们想要完全停止一个物体中分子/原子的运动,让一切完全静止下来,甚至克服量子物理学不确定性的本质,那就需要我们把一个物体的温度降到绝对零度,这个温度就是热力学上可能达到的最低温度。

但是换个方向呢?如果我们给一个粒子系统(一杯密封的水)不断的加热,粒子随机运动的速度肯定会越来越快。但是,你有没有想过这个温度有没有极限呢?如果不停的给一个系统加热会不会发生某种灾难,阻止我们超过某个极限温度?

持续给水加热

在数千开尔文的温度下(太阳变面温度5500K),热量会开始破坏分子间的化学键,如果继续提高温度,能量就会开始剥离原子中的电子。于是我们就会得到一个离子化的等离子体,它完全由电子和原子核构成,根本没有中性原子。

这时单个粒子(电子和正离子)依然会在高温下剧烈的运动,遵守与往常一样的物理定律,并不会发生什么特殊的事情。我们继续给系统加热,看看接下来会发生什么。

随着温度的升高,能量和物质就开始互相的转化,曾经我们认为的“粒子”也开始分解:

在温度大约8×10^9开尔文(80亿K)时,开始自发地从粒子相互碰撞的原始能量中产生物质和反物质对(电子和正电子)。

在温度大约2×10^10开尔文(200亿K)时,原子核被高能光子撞击后,会炸成单个的质子和中子。

在温度大约2×10^12开尔文(2万亿K)时,质子和中子不再存在,取而代之的是组成它们的基本粒子(夸克和胶子)开始四处碰撞,平时我们说夸克禁闭,这只是低能量下,在高能量下夸克不再受束缚。

在温度大约2×10^15开尔文(2千万亿K)时,开始大量产生目前所有已知的粒子和反粒子

不过,这仍然不是温度上限。但就在这个2×10^15开尔文(2千万亿K)的临界值附近,就会发生有趣的事情。这个温度下正是产生希格斯玻色子所需要的能量,因此在这个温度下希格斯场会停止与其他粒子耦合。

换句话说,一旦我们把系统加热到高于这个能量阈值,就会发现所有的粒子现在都变成了无质量粒子,并且以光速四处飞行。这些物质、反物质和辐射的混合物,现在都会表现得像辐射一样,无论它是物质、反物质还是非物质。

如果我们继续把系统加热到越来越高的温度,这些粒子的移动速度虽然不会高于光速,但它们仍会继续携带越来越多的能量,就像无线电波、微波、可见光和x射线它们都是光的不同形式,以光速运行,但能量不同,

这时系统中可能会产生一些未知的新粒子,或者新的自然法则。那么我们是否可以一直给系统加热,直到到达无限的温度。

然而,这是不可能的,原因有三。

在整个可观测的宇宙中,能量是有限的。

以我们的可观测宇宙中所有的物质、反物质、辐射、中微子、暗物质,甚至是空间本身固有的能量为例,大约有10^80个普通物质粒子,大约有10^89个中微子和反中微子,还有稍多一点的光子,加上暗物质和暗能量的所有能量,它们都分布在一个半径为460亿光年的宇宙中。

但是即使我们把所有的物质都转化成纯能量(通过E = mc^2),即使我们用所有的能量来加热系统,没有丝毫一点损耗,这个能量也是有限的,而这个能量大约对应于10^103开尔文的温度,所以宇宙中有一个能量上限。但是在系统到达这个温度点之前,会发生其他的灾害性事情来阻止我们如此疯狂的举动。

如果我们把大量的能量聚集在有限的空间里,就会创造出一个黑洞!

我们通常认为黑洞是巨大、致密的天体,能够吞噬附近的星际物质、恒星、行星!

但是如果我们给单个量子粒子提供足够的能量,即使这个粒子只是一个以光速运动的无质量粒子,它也会在微小的尺度上变成黑洞!这个能量大约为10^19 GeV,通过E = mc^2,算出来约为22微克。在这个能量下粒子会自发地产生黑洞,并立即衰变为能量更低的热辐射状态。因此,宇宙中的温度上限似乎对应于大约10^32开尔文的温度。

这个温度比之前的极限要低很多,因为不仅宇宙能量是有限的,而且黑洞也是一个限制因素。但是还有一些其他的限制因素,如果我有能力把温度升高到任意的范围,就会发生更加可怕的事情。

在某一高温下,我们将会导致宇宙重新暴胀

早在大爆炸之前,宇宙就处于指数膨胀状态,空间本身就像一个气球一样膨胀,但膨胀速度呈指数级。当暴胀结束时,大爆炸就开始了。

如果我们设法达到了足够的温度,就会使系统恢复到暴胀状态,相当于我们按下宇宙的“重置”按钮,并导致暴胀恢复,大爆炸重新开始。

理论上,宇宙的暴胀是在大约10^ 28-10 ^29 K的温度下发生的,因此无限升高温度是不可能的,因为宇宙只有有限的能量,毕竟它也是从大爆炸中诞生的。

我们平时不说绝对高温,是因为这个温度没有具体的标准,也没有任何意义,因为人类根本达不到这样的温度。即使是地球上最强大的粒子加速器,仍然需要至少1000亿倍的能量才能产生以上特殊的效果。