速度有上限光速,溫度有下限絕對零度,爲何會這樣?
簡言之,我們生活在一個有限的宇宙之中。在這有限的宇宙裡,它無法容納那些無窮無盡的性質或事物。任何一種性質,無論是何種物理屬性——速度也好,溫度也罷,質量、體積或者密度——任何可以測量的物理屬性,其數值範圍都不是從負無窮到正無窮,只能在一個有限的數值集合裡變化。
因此,我們可以進一步探討,溫度不僅有最低限度,同樣存在一個最高限度,這個最高溫度便是宇宙大爆炸那一剎那的溫度。從那一刻起,我們的宇宙就不可能再達到比大爆炸溫度更高的溫度了。這就是我們宇宙的溫度上限,據物理學家估算,這個數值大概爲10的32次方K。
若談及宇宙溫度的演變圖景,在宇宙誕生的10的負43次方秒那一瞬間,便已經註定了我們宇宙的溫度最高點就是10^32K。若有超越此溫度的存在,那便意味着您能創造出一個全新的宇宙。
現在,我們來探討一下速度的上限和絕對零度的意義。
先談絕對零度,這是個簡單的概念。就一句話:
絕對零度指的是粒子達到量子力學的最低能態或完全靜止時的溫度。因爲溫度本質上是粒子運動的反映,當達到這種最低能態時,我們就將其標記爲0K,也即絕對零度。
通過研究理想氣體的溫度與壓力關係,我們推斷出了絕對零度的具體數值。
在超低溫的世界裡,物理學家們發現了許多奇異的物理現象。例如,最爲人們所熟知的超導現象(電阻消失),還有超流體現象——液態氦能夠越過某些障礙,自動地從高處流淌至低處。
液氦的超流體現象尤其神奇,聽上去似乎並不特別,但奇妙之處在於它能夠跨越障礙,這如同一杯放在桌上的水,在沒有漏洞的情況下,水竟然從杯子裡流到了外面,而不是從下方漏出。
迄今爲止,通過超低溫物理實驗,實驗室在1999年達到了10的負10次方K的極限低溫。然而,根據量子力學,絕對零度只能被接近而無法被達到,因爲真空中仍存在能量,只要能量不爲零,溫度便不會降至0。歸根結底,一切都和能量有關。
那麼,爲何存在速度的上限呢?因爲能量是有限的。
要注意的是,不論真空中的光速具體數值爲多少,具有靜止質量的粒子永遠無法超越光速。這是愛因斯坦狹義相對論所確定的。隨着粒子速度的提高,其質量不會保持不變,而是會增加。當速度接近光速時,質量會變得非常大,當速度等於光速時,質量則趨於無窮大。這意味着,該運動中的粒子將擁有無窮的能量,這是荒謬的。
只有當粒子的速度極其接近光速時,其質量的增加纔會變得尤爲顯著。
原因在於,在我們這個有限的宇宙中,不能容納一個擁有無窮質量的粒子。因爲整個宇宙的能量,在大爆炸那一刻便被確定下來,其值僅爲10的19次方GEV,不管這個數字多麼龐大,它仍然是一個有限的值。
那爲何光子能夠以光速在真空中運動呢?
那是因爲光子沒有靜止質量,因此在真空中以光速運動時,不會擁有無窮的質量和無窮的能量。否則,任何物體只要被光子照射,便會立即消失,不僅物體會消失,整個宇宙在光子的照射下也會消亡。但光子確實具有相對論中的運動質量,或稱相對質量,可以通過愛因斯坦的質能公式E = MC平方來換算其能量得到運動質量。
另外,關於光速還隱藏着一個深刻卻鮮爲人注意的問題:
爲何光速(在真空中)是大約每秒30萬公里,而不是更快或更慢呢?
當然,這些數值是在當前度量體系下得出的,而不是通過隨意更改長度或時間單位來任意設定數值。如果您可以隨意改變這些單位,那麼您想要什麼樣的速度都可以。但是,如果真空中的光速真的發生了劇烈變化,這對我們的宇宙意味着什麼呢?這是一些物理學家正在探索的問題。
與此相關的另一個問題是,自古以來,真空中的光速是否在微妙地變化?過去的光子是否比現在的光子移動得更快或更慢?目前,這個問題還沒有確切的答案。
然而,有一種特殊情況是黑洞,據稱黑洞具有無窮的密度。這引發了一個悖論,物理學家們正致力於解決這一悖論。最終的結論很可能是,即使是黑洞,也不可能擁有無窮的密度等性質。