我们日常生活中,根据体感温度来挑选合适的衣物。众所周知,在零度以下,水会凝固成冰,而在一百度时,水便沸腾翻滚,这些均是生活常识。然而,深究起来,你有没有思考过“温度”究竟意味着什么?它与热量又有何种联系?
进一步探讨,为何宇宙的极端温度会是1.4亿亿亿亿度之高与零下273.15度之低呢?想要解答这个问题,我们需要从温度的基本概念谈起。
微观世界中,我们知道万物皆由活跃的粒子构成。这些粒子并非静止排列,而是处在永不停息的运动之中。由于构成物质的粒子数量巨大,我们无法单独考量单个粒子的活动情况,因此引入了统计学的方法。
具体来讲,物质粒子的集体运动越是剧烈,对应的宏观世界表现出的温度就越高;相反,粒子运动得越平缓,宏观表现出的温度就越低。
这样,我们就可以借助“分子的平均动能”来定义温度。据此,分子平均动能降至最低时,相应的温度就应该是宇宙中的最低点,通过理论推算,这个数字被锁定在了零下273.15度,我们称之为“绝对零度”。
那么,温度是否可以无限上升呢?
宇宙中的温度上限又在哪里呢?
假设我们不断提高粒子的平均动能,将会发生什么?
事实上,我们可以找到类似的例子。持续对物质加热,物质形态会随之变化,从固态过渡到液态再到气态。换句话说,随着分子平均动能的增加,分子运动的更加激烈,分子间距随之增加,影响着宏观物体的变化。
如果进一步对气态物质加热,又将迎来什么?
我们知道,分子由原子构成,原子又由原子核与核外电子构成,而电子绕核运动是因为与带正电的原子核间的电磁作用。通常情况下,电子的运动被束缚在特定区域内。
但随着温度的升高,电子获得足够能量,便可能摆脱原子核的束缚,成为自由电子。这时的物质会呈现出等离子态,即原子核、电子、光子等的混合状态。
例如太阳,主要由氢原子核、氦原子核、电子和光子构成,其核心温度高达1500万度,表面温度则在5500度至6000度之间。
但等离子态是否就是温度的极限形态呢?
答案显然并非如此。忽视技术挑战,我们仍可尝试对等离子态物质继续加热。那么,物质的温度还能升高到何种程度?是否存在一个极限温度呢?
依据现有科技,科学家使用强子对撞机LHC曾将局部温度提升至数亿度。若要进一步提高温度,则需更大型的对撞机。
你是否好奇过,科学家们为何要追求如此极端的温度呢?
其背后的原因在于,他们试图还原宇宙诞生时的场景。根据主流的宇宙学理论,宇宙源自138亿年前的大爆炸。但由于理论限制,关于大爆炸之后普朗克时间(10的负43次方秒)内的情况,我们知之甚少。
而在那之后的宇宙温度高达1.4亿亿亿亿度,这便是我们宇宙所曾达到的最高温度。随着宇宙的膨胀和温度下降,粒子开始由无到有,形成物质,并逐渐产生了四大基本作用力,共同构建了我们现在的宇宙。
也就是说,在技术允许的范围内,我们有可能将温度提升至几十亿度甚至上百亿度。在这个过程中,构成物质的粒子将逐渐消亡,四大基本作用力也将合而为一,转化为纯粹的能量状态,而这一温度正是我们宇宙的起点:1.4亿亿亿亿度。
这个过程仿佛是在倒放宇宙的演化史,我们似乎可以重现宇宙的起点,创造出与我们相似的宇宙。温度在升高的同时,其定义也发生了深刻的变化,不再仅仅由粒子的平均能量来界定。
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