1.4亿亿亿亿℃热到什么程度?时间、空间和物理定律全都崩溃!
对于物体的冷热程度,我们通常会用具体的温度进行定量表示,例如,气温是10 ℃,开水是100 ℃(1个标准大气压下)。温度可以很高,太阳的中心温度可达15,000,000 ℃,而最高温度更是高达1.4×10^32 ℃,也就是1.4亿亿亿亿度。
那么,物体的温度究竟是怎么来的呢?为什么开水的温度刚好是100 ℃,冰的温度刚好是0 ℃?为什么温度会有上限?如果温度达到上限又会怎样?
宏观物体都是由微观粒子组成的,元素周期表中的118种元素构成了我们所知的物质世界。无论是原子,还是离子,或者分子都在做热运动,包括平动、转动、振动。粒子的热运动贡献了物体的内能,这就是物体的温度来源。
因此,温度本质上表征了粒子热运动究竟有多剧烈。粒子的热运动越剧烈,物体的内能越高,表现出的宏观温度也就会越高,反之亦然。当粒子不再运动时,将会达到最低的绝对零度。
至于物体的具体温度数值,则取决于定义方式。生活中最常用的是摄氏温标(℃),它把水的冰点定义为0 ℃,沸点为100 ℃,以此为基准进行100等分。热力学中最常用的为开氏温标(K),把最低温度定义为0 K,它与摄氏温标的转换关系为℃=K-273.15,即绝对零度为-273.15 ℃。
绝对零度作为温度下限,这是不可能达到的。因为粒子的热运动不可能停止,否则将会违背相对论和量子力学。另一方面,既然粒子运动越快,温度越高,这是否意味着温度能够不断上升,直至无限高呢?
关于这个问题,就不得不提到爱因斯坦的狭义相对论。根据相对论,宇宙中的物体运动速度是有上限的,那就是每秒将近30万公里的光速。尽管相对论限制了速度上限,但却没有限制动能上限。
根据相对论的质速关系:
在低速的情况下,动质量(m)可以认为保持不变,采用静质量(m0)即可。但当速度(v)足够接近光速(c)之时,动质量将会急剧上升,直至趋于无穷大,这意味着动能也会随之趋于无穷。
然而,根据量子力学,粒子的动能并不能无限大,温度也不会无限高。因为随着温度的不断升高,粒子的状态会不断发生变化,原子、质子、中子、电子等结构都会悉数崩溃。以质子为例,当极端的高温把它们分解成夸克汤之后,每立方厘米的夸克汤重达400亿吨。
当温度达到普朗克温度,即1.4亿亿亿亿度之时,主宰宇宙的四大基本自然作用力将会合并在一起,成为大统一力,现有的物理定律全部崩溃。此时,宇宙只有纯能量,时间和空间也会失去意义。事实上,在138亿年前,宇宙从无限小的奇点中诞生之初,就是处于这种极端的状态。
物理学家通过粒子加速器,把粒子加速到亚光速状态,让它们互相碰撞,以产生极高的温度,由此来了解早期宇宙的状态。目前,物理学制造出的最高温度为1×10^13 K,也就是10万亿度,但这距离普朗克温度还差得很远。
值得强调的是,普朗克温度只是现有物理体系所能理解的温度上限。也许温度还可以变得更高,但要理解那种温度状态,需要一套超越目前物理学的大统一理论,而这正是当今物理学家所孜孜追求的真理。