溫度是一種常用的物理量,我們可以用它來準確地表示物體的冷熱程度,那麼溫度的高低是否存在極限呢?答案是肯定的,從理論上來講,宇宙中的高溫和低溫的極限其實相差非常大,因為宇宙最高溫可達1.4億億億億度,最低溫卻只有-273.15度。為什麼會這樣呢?下面我們就來聊一下這個話題。
溫度其實有多種計量單位,我們平常所用的「度」,其實是指攝氏度(℃),簡單來講,這種計量單位就是把水在1個標準大氣壓下的凝固點和沸點分別計為0度和100度,再將兩者之間平均分為100份,其中的每一份就是1攝氏度。
我們知道,氣體是熱脹冷縮的,早在18世紀的時候,科學家就發現了一個非常有意思的現象,那就是在壓強恆定的情況下,溫度每升高或降低1攝氏度,氣體的體積總是會增加和減少一個固定的值,隨後這個「固定的值」就被稱為氣體的體積膨脹係數,在經過大量的實驗之後,科學家將它的數值精確地確定為273.15分之1。
也就是說,假設有一團溫度為0攝氏度的氣體,其體積為1立方米,那麼在壓強恆定的情況下,它的溫度每升高或降低1攝氏度,其體積就會增加或減少273.15分之1立方米。
這就出現了一個問題,那就是按照這樣的計算,當這團氣體的溫度降到-273.15攝氏度的時候,其體積就應該為零,但氣體的體積顯然是不可能為零的。所以科學家就據此認為,-273.15攝氏度是一個無法達到的低溫極限。
後來熱力學溫標就引用了這個低溫極限,將-273.15攝氏度設為計量溫度的起點,也就是0開爾文,並以攝氏度作為其單位增量。意思就是說,1開爾文的溫度變化與1攝氏度相等,兩者只是計量起點不同,比如說1開爾文就是-272.15攝氏度,2開爾文就是-271.15攝氏度(註:開爾文是熱力學溫標的計量單位,通常用K來表示)。
由於熱力學溫標是一種與測溫物質的屬性無關的純理論上的溫標,因此0開爾文其實就是純理論上的最低溫度,所以這個溫度值也被稱為「絕對零度」。
從微觀層面來看,溫度其實就是物體內部微觀粒子熱運動的激烈程度,這就意味著,只有在所有的微觀粒子都處於完全靜止的狀態下,才可以達到「絕對零度」,這顯然是不可能的。所以任何物體的溫度都不可能達到或低於「絕對零度」、也就是-273.15攝氏度。
由此可見,所謂「最低溫只有-273.15度」,其實指的是-273.15攝氏度。那為什麼宇宙最高溫可以高達1.4億億億億度呢?我們接著看。
物體內部微觀粒子熱運動的激烈程度,其實可以通過這些微觀粒子的平均動能大小來衡量,簡單來講就是,一個物體內部的微觀粒子平均動能越大,它的溫度就越高,反之亦然。
根據相對論,對於一個有靜質量的微觀粒子來講,其速度不可能達到光速,最多只能無限地接近光速,假如我們對一個有靜質量的微觀粒子進行持續加速,那麼它的動能也將會隨著趨近於光速而趨於無窮大,所以從這方面來講,溫度的上限就應該是無窮大的。
然而我們的物理學卻是有極限的,若我們討論的範圍超過了物理學的極限,也就沒有了意義。根據量子力學,宇宙中的空間是不可以無限拆分的,它有一個最小的值,即「普朗克長度」,大約為1.6乘以10的負35次方米。
而從理論上來講,任何溫度高於「絕對零度」的物體都會向外釋放電磁波,溫度越高,其釋放出的電磁波的波長就越短。在這種情況下,當物體的溫度超過一個臨界值的時候,其釋放出的電磁波的波長就會小於「普朗克長度」,這是在我們的物理學中是沒有意義的。
所以這個「臨界值」就被認為是目前理論中的宇宙最高溫,它也被稱為「普朗克溫度」,其數值約為1.4乘以10的32次方開爾文,即1.4億億億億開爾文,由於在如此巨大的數字面前,攝氏溫標和熱力學溫標計量起點的不同完全可以忽略不計,因此通常的說法就是:宇宙最高溫可達1.4億億億億度。
值得一提的是,根據大爆炸宇宙論,「普朗克溫度」出現在宇宙大爆炸後的1個「普朗克時間」之內,那時的宇宙處於一種極為緻密且高溫的狀態,以至於四大基本力(引力、電磁、強和弱相互作用力)都還沒有分離出來,而在此之後,宇宙開始不斷地膨脹和冷卻,這樣的高溫就再也沒有出現(註:「普朗克時間」約為10的負43次方秒,是物理學中最小的時間單位)。