@ 2014.12.01 , 23:31
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脑洞大开:热到极限是多高的温度

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大多数人都知道对温度划分界限的一个标准:零度。但是事实上,在热力学里我们称之为“绝对零度”,绝对零度所用的温度单位是开尔文(Kelvin,简写为K),换算成摄氏度应为-273.15度。它们之间的区别就在于零摄氏度是海平面上的淡水的冰点,开尔文是完全没有热度。这里所指的热度当然是原子运动的作用,没有运动就没有热度。这反过来又说明,这是从客观角度来说最低的温度,但是与此相反的,有没有一个最高的温度存在呢?

信不信先放到一边,我们现在可以假设它可能是存在的。从现有理论出发,就算存在一个最高温,那也是在宇宙大爆炸之后出现的。我们不能在实验室里拿一个东西不停加热,所以只能依靠数学演算出当温度上升到极高的时候会出现什么。那么科学家们得到的第一个答案是什么?没人知道。最多人赞成的物理学模型是说,当温度不停上升打破一个点之后,就到达了不会再升高的最高点。那么这个点是真的不会再变热了,还是说科学家还不知道到了那个点之后会发生什么。

我们先来谈谈到达高温之后会发生什么。当一个物体到达超热的温度时就会发出递减的波长(相当于递增的频率和增加的能量)。当温度不断升高,它发射的波长所含能量也会递增,从可见光到X光、伽玛射线(γ射线)等等。理论上讲对辐射的波长是有下限(相对的是能量上限)的。就普朗克定律来说,能量不能持续增加,否则会产生无法想象的射线。

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而这个点,就在1.416833(85)x10^32K左右,通称为普朗克温度。在这个高点上,每个粒子的能量都增到让物理规律要崩溃的高度。每个粒子都有自己强大的重力场,用现代物理学无法形容的方式互相影响。(为了说明一个量子粒子产生的能量是怎样产生一个重力场的,请允许我在这写出普朗克温度到底有多少K:1,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000 K)

这又让我们回到了爱因斯坦、霍金等等学者对万能理论(Theory of Everything)探索上。用量子重力论,这个重要的方程式可以让你在量子规模下形容重力的影响。而数学可以让我们看到在温度到达普朗克温度之后的可能发生的改变。通过这些力量,我们或许能够发现比普朗克温度更高的温度确实可能存在,至少我们现在还没理由肯定它是不存在的。

一个用万能理论进行测试的理论指出,在物理学上的最高温度还会升高是因为“电子偶的生成”这一过程,在这个过程中,大量能量的输入会引起粒子和反粒子成对出现,从而让温度高于1.416833(85)x10^32 K。有物理学家认为这些电子偶会生成的更多、更重,又将热度抵消。

这一理论是对是错现在还无从检验,但是也许超弦理论、多元宇宙或者其他全新的想法即将乘虚而入,一举把这些疑问都解决。在此之前,现在总共有一个绝对零度及(理论上成立的)一个很有可能存在的绝对高温。到底有还是没有,端看我们能不能抓到机会找出确切证据。

本文译自 Geek,由译者 小笨 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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TOTAL COMMENTS: 48+1

  1. 2617809

    这一理论是对是错现在还无从检验

  2. 2617812

    我一辈子无法知道的结果。。。。

  3. 太阳
    @3 years ago
    2617814

    家具?
    是的,家具。

  4. Bluejuze
    @3 years ago
    2617817

    绝对零度不可能达到吗?

  5. 2617818

    请问最大的脑洞是多大?

  6. 珊瑚爱
    @3 years ago
    2617819

    应该是一万亿度吧,超新星如果能达到这个温度会发生伽玛射线爆,并在其核心形成黑洞。望远镜观测的活动星系核也不超过这个温度

  7. 凯尔特人
    @3 years ago
    2617825

    卡卡

  8. 2617826

    首先要明确温度的定义是什么。
    但是感觉现在温度的定义还不够明确

  9. 向上击打
    @3 years ago
    2617827

    看一下标题,再看最后一段。。嗯我就知道是这样

  10. cesium
    @3 years ago
    2617830

    @Atlas: 现在温度的定义是什么?

  11. wjking512
    @3 years ago
    2617831

    粒子振动产生温度. 粒子的完全静止就是-273.15度不可能再低这个很容易理解. 小时候第一次看到绝对零度这个词的时候也思考过什么样的振动才是极限高温. 我觉得是导致粒子本身甚至是粒子所在的空间啊引力啊时间啊完全崩溃的一个阈值吧.超过这个值就会引起真空衰变奇点爆炸什么的.但是为什么就不能崩溃呢
    然后就瞎琢磨不下去了

  12. 小甜甜
    @3 years ago
    2617833

    道家早就说了, 最高温度和绝对温度其实是同一个东西, 殊途同归!!!

  13. 小甜甜
    @3 years ago
    2617834

    道家早就说了, 最高温度和绝对零度其实是同一个东西, 殊途同归!!!

  14. 嗷嗷
    @3 years ago
    2617836

    民科泛滥,智商堪忧。。。关评保平安,煎蛋这评论简直看不下去

  15. 2617837

    找不到槽点 洗洗睡了吧

  16. 路过
    @3 years ago
    2617841

    @小甜甜: 你就继续扯吧。

  17. 啊啊啊
    @3 years ago
    2617850

    其实也不能说原子停止运动,因为如果原子不动了,根据测不准原理,我们不能同时测量一个粒子的位置和速度,所以如果静止了原子就被我们看到了~所以,原子在达到绝对零度的时候是在振动的,这一切都可以由量子力学计算出来~真是伟大的一门学问~~~

  18. 啊啊啊
    @3 years ago
    2617855

    @Atlas: 温度定义的已经极其明确了,温度的定义简单,但是也挺复杂的,详情参见热力学这本书。
    在某些极端情况下,我们目前的理论,包括相对论和量子力学,有可能是失效的,或者是矛盾的,所以我们不能预测某些极端情况。
    但是对于一般而言,我们的温度定义可以说是完美的了。

  19. 2617865

    @Bluejuze: 对现实物体而言不能达到。热力学第三定律。

  20. 落烬猫
    @3 years ago
    2617869

    我记得果壳上讨论过这个==最高温是粒子运动达到光速?

  21. Anubis
    @3 years ago
    2617895

    可以用科学计数法吗混蛋

  22. uncle_bob
    @3 years ago
    2617912

    @落烬猫: 光速不是速度极限,甚至达不到可观测速度的极限

  23. 海因里希
    @3 years ago
    2617939

    小学生就别评论这种帖子了行不,直接一句每个字都懂足矣

  24. 恺恺
    @3 years ago
    2617952

    如果这个能够明确确定的话, 温度量纲就能完全脱离具体原子/分子确定了吧
    只要定义为“1k为绝对零度到绝对高温间的1/XXX, 绝对零度为0k“就ok
    如果这样的话这就是第一个能完全脱离具体原子/分子定义的量吧

  25. 2617959

    突然想起某网络小说里主角创造世界时被要求定义基本物理量纲,他思考许久以后就是用绝对零度和普朗克温度来定义温度以后才以此为基础开始定义其它的。现在想想虽然温度不在SI的七个单位里,但它好像确实是第一个有望彻底脱离某种特定实物粒子来定义的东西啊……

  26. 2618011

    @uncle_bob: 目前的观测 光速就是承载信息的速度极限

  27. 2618013

    @uncle_bob: 快子世界究竟是否存在?

  28. 挖沟人
    @3 years ago
    2618029

    文章只是提出了一个思考观察的点,没有真正讨论。
    人类知道的知识很多,又很少,而对于我们普通人来说,则是绝对的很少,更很少。
    非要挖空心思去理解和解释,不如先学习已有的专业知识了。

  29. 2618054

    @iused: 存在也和我们没关系,奥卡姆一刀就全剃掉了。

  30. 三首犬
    @3 years ago
    2618070

    1亿亿亿亿k

  31. 蛤蛤
    @3 years ago
    2618085

    39.99999度,不信你看CCTV天气预报

  32. 2618115

    请问最大的挖掘机有多大?

  33. 2618181

    擦,超弦理论~~
    弦理论都还没被证实,就超弦理论了。物理唯心主义么?

  34. 2618193

    温度高到某个极限,也就要大爆炸啦

  35. Gallery
    @3 years ago
    2618305

    @嗷嗷: 自黑好评

  36. 牛丸
    @3 years ago
    2618309

    谁还特么的说冰人比火人谁厉害的,我一指头戳死他

  37. 东京吔屎鬼
    @3 years ago
    2618472

    去问太阳吧

  38. 元首
    @3 years ago
    2618534

    小甜甜那个说的还真对,至少目前的主流假设(还没有形成理论)认为低于绝对零度的就是负温度,而负温度同时又是比最高温度还高的温度。和数学里的负无穷等于正无穷很像。

  39. Amaryllis
    @3 years ago
    2618577

    @元首: 哪本数学书里说负无穷等于正无穷了,我去抽死那本书的作者

  40. 呵呵
    @3 years ago
    2618598

    @wjking512: 物理帝啊

  41. 2618616

    @Athar:
    奥卡姆剃刀不是这样用的……
    对于某些基础理论,假设一个“快子宇宙”,并非没有必要。

  42. 啊啊啊
    @3 years ago
    2618878

    量子理论预示,真空中蕴藏着巨大的本底能量, 它在绝对零度条件下仍然存在, 称为真空零点能。对卡西米尔(Casimir)力(一种由于真空零点电磁涨落产生的作用力)的精确测量,证实了这一物理现象。
    关于零点能的设想来自量子力学的一个著名概念:海森堡测不准原理。该原理指出:不可能同时以较高的精确度得知一个粒子的位置和动量。因此,当温度降到绝对零度时粒子必定仍然在振动;否则,如果粒子完全停下来,那它的动量和位置就可以同时精确的测知,而这是违反测不准原理的。这种粒子在绝对零度时的振动(零点振动)所具有的能量就是零点能。

  43. 啊啊啊
    @3 years ago
    2618880

    我在楼上说的,绝对零度下粒子也在震动,为啥那么多人点叉叉啊,你们学过量子力学么。

  44. 啊啊啊
    @3 years ago
    2618882

    而且,在费曼物理学讲义中,费曼也用了这个例子来说明粒子为什么在绝对零度的时候还在不停震动。

  45. 草鱼
    @3 years ago
    2619675

    好多小学生一本正经的探讨科学,“首先要明确温度的定义是什么。” 真喜感。。。

  46. 2621365

    现代关于温度的定义已经站不住脚了,楼上这些就别吵了

  47. 顶小甜甜
    @2 years ago
    3094163

    13楼正解

  48. 3193043

    @wjking512: 虽然不会有人看这条评论,不过还是得说,你“瞎琢磨”得很有道理。现在的物理学认为温度的上限是“普朗克温度”,也就是1.4乘以10的32次方开尔文。为什么这个温度是上限呢?因为在这个温度下,粒子辐射出的光波的波长将会小于普朗克长度,而普朗克长度是最小的长度。因此高于普朗克温度的温度是毫无意义的。

    顺便说一句,前面有人说光速,其实是错误的。温度不是粒子速度的度量,而是粒子能量的度量。粒子能量越大,温度越高。根据相对论,虽然粒子的速度达不到光速,但能量却可以无限大,因此温度也就可以无限高。

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