解讀宇宙的極限高溫1.4億億億億度,創造此溫度就能創造新宇宙!
我們日常生活中,根據體感溫度來挑選合適的衣物。衆所周知,在零度以下,水會凝固成冰,而在一百度時,水便沸騰翻滾,這些均是生活常識。然而,深究起來,你有沒有思考過“溫度”究竟意味着什麼?它與熱量又有何種聯繫?
進一步探討,爲何宇宙的極端溫度會是1.4億億億億度之高與零下273.15度之低呢?想要解答這個問題,我們需要從溫度的基本概念談起。
微觀世界中,我們知道萬物皆由活躍的粒子構成。這些粒子並非靜止排列,而是處在永不停息的運動之中。由於構成物質的粒子數量巨大,我們無法單獨考量單個粒子的活動情況,因此引入了統計學的方法。
具體來講,物質粒子的集體運動越是劇烈,對應的宏觀世界表現出的溫度就越高;相反,粒子運動得越平緩,宏觀表現出的溫度就越低。
這樣,我們就可以藉助“分子的平均動能”來定義溫度。據此,分子平均動能降至最低時,相應的溫度就應該是宇宙中的最低點,通過理論推算,這個數字被鎖定在了零下273.15度,我們稱之爲“絕對零度”。
那麼,溫度是否可以無限上升呢?
宇宙中的溫度上限又在哪裡呢?
假設我們不斷提高粒子的平均動能,將會發生什麼?
事實上,我們可以找到類似的例子。持續對物質加熱,物質形態會隨之變化,從固態過渡到液態再到氣態。換句話說,隨着分子平均動能的增加,分子運動的更加激烈,分子間距隨之增加,影響着宏觀物體的變化。
如果進一步對氣態物質加熱,又將迎來什麼?
我們知道,分子由原子構成,原子又由原子核與核外電子構成,而電子繞核運動是因爲與帶正電的原子核間的電磁作用。通常情況下,電子的運動被束縛在特定區域內。
但隨着溫度的升高,電子獲得足夠能量,便可能擺脫原子核的束縛,成爲自由電子。這時的物質會呈現出等離子態,即原子核、電子、光子等的混合狀態。
例如太陽,主要由氫原子核、氦原子核、電子和光子構成,其核心溫度高達1500萬度,表面溫度則在5500度至6000度之間。
但等離子態是否就是溫度的極限形態呢?
答案顯然並非如此。忽視技術挑戰,我們仍可嘗試對等離子態物質繼續加熱。那麼,物質的溫度還能升高到何種程度?是否存在一個極限溫度呢?
依據現有科技,科學家使用強子對撞機LHC曾將局部溫度提升至數億度。若要進一步提高溫度,則需更大型的對撞機。
你是否好奇過,科學家們爲何要追求如此極端的溫度呢?
其背後的原因在於,他們試圖還原宇宙誕生時的場景。根據主流的宇宙學理論,宇宙源自138億年前的大爆炸。但由於理論限制,關於大爆炸之後普朗克時間(10的負43次方秒)內的情況,我們知之甚少。
而在那之後的宇宙溫度高達1.4億億億億度,這便是我們宇宙所曾達到的最高溫度。隨着宇宙的膨脹和溫度下降,粒子開始由無到有,形成物質,並逐漸產生了四大基本作用力,共同構建了我們現在的宇宙。
也就是說,在技術允許的範圍內,我們有可能將溫度提升至幾十億度甚至上百億度。在這個過程中,構成物質的粒子將逐漸消亡,四大基本作用力也將合而爲一,轉化爲純粹的能量狀態,而這一溫度正是我們宇宙的起點:1.4億億億億度。
這個過程彷彿是在倒放宇宙的演化史,我們似乎可以重現宇宙的起點,創造出與我們相似的宇宙。溫度在升高的同時,其定義也發生了深刻的變化,不再僅僅由粒子的平均能量來界定。