【科學科普】1.4億億億億度有多可怕?宇宙中的極限溫度,時間和空間全部崩潰

天空之城 2020/12/24 檢舉 我要評論

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文/天空之城

在地球上,人類曾經記錄到的最高氣溫是56.7攝氏度。如果是地表,最高溫度則要更高。而深入地球內部,溫度會變得越來越高。到了兩千多公里深的地幔,溫度可以超過3000度。而到了最深處的地心,溫度更是高達5500度。

太陽的溫度則要更高,其表面溫度就與地心相當,中心的溫度可達1600萬度。對於太陽這樣的恒星,它們消逝之後,核心會暴露在外,並且坍縮成白矮星。白矮星更熱,其表面溫度可達10萬度,核心溫度可達1億度。

如果是質量更大的恒星,它們耗盡核心燃料之後,核心會坍縮成熾熱緻密的中子星。中子星的表面溫度估計可達60萬度,中心溫度超過10億度。當兩顆中子星發生碰撞時,將會釋放出巨大的能量,主要是電磁輻射和引力波,並產生高達3500億度的極高溫度。

人類製造的最高溫度

雖然宇宙中的天體可以通過自發的過程變得很熱,但人類在實驗中製造出了更高的溫度。

在相對論性重離子對撞機(RHIC)中,金離子被加速到亞光速,它們之間發生猛烈碰撞,產生了4萬億(4×10^12)度的高溫。在這種溫度下,物質無法維持常規狀態,而是會被分解成誇克-膠子等離子體,即誇克湯。

對於常規溫度下的物質,它們都是由質子和中子構成。質子和中子又是由更小的誇克組成,這兩種粒子都是重子。由於色禁閉,誇克受到約束無法單獨存在,膠子負責誇克之間的力傳遞。

但在足夠高的溫度和密度下,質子和中子將會分解成誇克湯。誇克與膠子不受約束,成為一坨緻密的東西,其密度高達400億噸/立方釐米。

人類所製造出的最高溫度還要更高一個數量級。在大型強子對撞機(LHC)中,物理學家用高能質子猛烈撞擊重原子核,結果產生了溫度達到10萬億度的誇克湯。

那麼,最高的溫度是多少度?溫度可以無限升高嗎?

從本質上來說,溫度反映的是微觀粒子熱運動的劇烈程度。如果粒子的能量越高,熱運動越劇烈,宏觀表現出的溫度也會越高。粒子的速度極限是光速,那麼,這是否意味著粒子達到光速時,溫度也會達到最高呢?

事實上,構成物質的微觀粒子都是有靜質量的,它們的速度達不到光速。但在無限接近光速的過程中,粒子的動能會趨於無窮大,那麼,這是否意味著溫度可以無限升高呢?

根據現有的理論,當物體的溫度變得足夠高時,它們輻射出的波長將會小於最短長度——普朗克長度(1.6×10^-35米),這樣就沒有物理意義了。此時對應的溫度被認為是最高的溫度,這就是普朗克溫度,其大小為1.4億億億億度。

普朗克溫度

在普朗克溫度下,量子力學和廣義相對論全部失效,時間和空間都會崩潰掉,變得沒有意義,所有的粒子都不復存在,四大基本力都會統一成一個力。根據標準宇宙模型,我們的宇宙只有在最初誕生的一瞬間,也就是第一個普朗克時間(5.4×10^-44秒),才達到過這個極限溫度。

不過,也許還有超過普朗克溫度的更高溫度。當溫度超過普朗克溫度時,量子效應和引力效應都會變得十分顯著,我們現在還沒有一套能夠同時描述量子和引力的理論,所以對於更高的溫度無法描述。如果未來能夠出現統一量子力學和廣義相對論的量子引力理論,我們就有能力理解普朗克溫度之上的物理狀態。

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