在日常生活里,我們都有過這樣的體驗:觸碰某些物體時,會感覺熾熱燙手;而接觸另一些物體時,則會覺得冰冷刺骨。這些都是人體感官帶來的直觀感受。
然而,僅僅用很熱、一般熱、很冷、一般冷來描述物體的冷熱程度,顯然太過模糊。
為了能更精確地表示物體的冷熱狀態,科學家引入了溫度這一物理學概念。它用于量化物體所蘊含的熱能,讓我們能通過具體的數值,清晰地了解物體的冷熱程度。
例如,提到 0 攝氏度,大家立刻就能聯想到地球表面冰水混合物的溫度,把手伸進冰水混合物中,會感到十分寒冷。當溫度低于 0 攝氏度,水會結冰;高于 0 攝氏度,冰水混合物則會變成液態水。
37 攝氏度是人體的正常體溫,此刻摸摸自己的身體,就能感知到這個溫度的熱量。60 攝氏度的水可以飲用,但會讓人感覺有點燙嘴。100 攝氏度是地球表面水的沸點,這個溫度的水足以瞬間燙傷皮膚。
隨著溫度的升高,物質會發生奇妙的變化。
400 攝氏度能使鉛熔化,大約 500 攝氏度時,鐵會發出暗紅色的光,達到 1000 攝氏度,鐵發出的光變得刺眼發白,1500 攝氏度時鐵會熔化,3000 攝氏度時鐵會汽化成氣態,在這個溫度下,化學分子結構無法穩定存在。
太陽表面的溫度約為 6000 攝氏度,在如此高溫下,幾乎所有原子都會發生電離,只是失去電子的數量有所不同。
溫度繼續上升,原子會失去更多電子。當溫度達到 400 萬攝氏度時,質量僅為太陽 8% 的最小恒星,會開始緩慢進行核聚變反應,將氫聚變成氦。太陽核心的溫度高達 1500 萬攝氏度,在這里,氫不僅能聚變成氦,氦還能進一步聚變成碳、氮、氧等元素。
太陽只是宇宙中一顆普通的黃矮星,宇宙中還有許多比太陽更大、質量更高、顏色更藍的恒星,它們核心的溫度能達到數十億(60 億)攝氏度,能夠將氫元素一路聚變到鐵元素,最終在一場劇烈的爆炸中走向終結。
盡管 60 億攝氏度已經極其驚人,但與我們要探尋的 1.4 億億億億℃相比,仍相差甚遠。在宇宙中的恒星上,我們已很難找到更高的溫度了。那么,1.4 億億億億℃究竟存在于何處?
在繼續尋找之前,有必要先厘清溫度和熱量這兩個容易混淆的概念。
嚴格來說,溫度并非客觀存在于宇宙之中,它是人類為了衡量物體的熱能而定義的物理量。
以一杯水為例,水由水分子構成,這些水分子在水中并非靜止不動,而是做著無規則的隨機運動,運動的水分子具有動能。
水分子隨機運動的劇烈程度,即動能的大小,決定了水所包含熱能的多少。動能越高,熱量越大;反之,動能越低,熱量越小。也就是說,熱量本質上是微觀層面粒子所具有的動能,在一個包含眾多粒子的系統中,系統的熱量等于所有粒子動能的平均值。
而溫度則是用來度量一個系統中粒子平均動能的物理量。溫度越高,粒子的平均動能就越大,熱量也就越高,我們觸摸物體時就會感覺越燙。
我們以空氣為例,來看看人類是如何感知冷熱的。
我們的身體周圍充滿了大氣分子,這些分子如同水分子一樣,在做著隨機運動,并不斷撞擊人體表面。當氣溫較低,比如只有 10 攝氏度時,空氣分子的運動相對緩慢,動能較低。
它們撞擊人體并反彈時,會從人體獲取一定的能量,自身動能增加,運動速度加快。而人體由于失去能量,就會感覺到冷。
相反,當氣溫高達 40 攝氏度時,空氣分子運動極為劇烈,動能很高。它們撞擊人體時,會將部分動能傳遞給人體,人體獲得能量后,就會感到酷熱難耐。
既然在恒星中找不到 1.4 億億億億℃的高溫,我們就把目光投向早期的宇宙。
在那里,溫度極高,密度極大。前面提到,3000 攝氏度時部分原子會被電離,那么是否存在能電離原子核的高溫呢?答案是肯定的。在宇宙誕生后的短短 3 分鐘內,宇宙溫度達到了 200 億攝氏度,此時,質子和中子試圖結合形成更復雜的原子核,但會被高能量的光子電離。
再往前追溯,宇宙誕生 1 分鐘時,溫度飆升至 2 萬億攝氏度,質子和中子被分解為夸克和膠子,這是構成物質的基本粒子,無法再進一步細分。
當宇宙誕生僅 1 秒鐘時,溫度達到了 2 千萬億攝氏度,在這個極端高溫下,所有粒子都以光速在宇宙中瘋狂穿梭、碰撞,不僅產生了所有已知和未知的反物質粒子,還可能誕生了暗物質粒子以及磁單極子等奇異粒子。
看起來,溫度再升高似乎不會引發更多新的物理現象了。
實際上,溫度繼續上升,宇宙并不會產生更多種類的粒子,粒子的速度也無法超越光速,反而會表現出更明顯的波動性,其波長會像光子一樣變得更短,蘊含的能量則更高。那么,宇宙最初的溫度是否可以無限高呢?
答案是否定的。
宇宙的最高溫度為 1.4 億億億億℃,這就是著名的普朗克溫度,用科學計數法表示為 1.4×10^32K,對應的時間是宇宙誕生后的 10^-36 秒。
這個溫度代表了宇宙所蘊含的全部能量,倘若能夠創造出這樣的溫度,就相當于創造出了一個與現有宇宙相同的新宇宙 。
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