我们人类啊,对于宇宙,其实就是在摸一只极高极高的大象。
我们是从脚趾头最下方摸起走的,定义我们摸的位置是 0m,由于我们距离地面比较近,很容易推算出我们距离地面大约是 -273.15m。
由于我们就像生活在大象上的蚂蚁,永远无法离开大象,所以我们也无法真正跨国 -273.15m 的距离,到达地面上去。
我们往上摸,通常只能摸到几千米的位置,但是我们会甩石头啊(粒子对撞机)。
我们甩石头的最高位置,是甩到 10^12(万亿)m 的高度。
但我们发现,大象还是太高了,实在没有办法,我们只能用自己有限的观察,猜测这个大象最高的高度是 1.4X10^32m。
如果这个高度是真的,那么,大象的身高,是我们当前能甩石头最高高度的 10^20 倍,也即一万亿亿倍。
对于人类来说,这个大象实在是太高了。
所以说啊,我们觉得上方太高,或者下方太矮,仅仅是因为我们生活在大象的脚指头底下啊。
如果有一种生活在宇宙大爆炸初期的「太初生命」,他们活动的温度比普朗克温度低 100K。
太初生命定义温度为ζ,他们自然而然的会认为自己所属环境是 0ζ,就像我们人类最初定义水三相点温度是 0℃一样。
太初生命发现,当物质内部粒子热运动增加时,ζ升高;当物质内部粒子热运动减小时,ζ降低。
他们经过研究发现,宇宙的最高温度仅仅只有 100ζ,但最低温度却达到了负的 1 亿亿亿亿ζ.
总的来说——
无论上限的普朗克温度(T=1.4X10^32K),还是下限的绝对零度,其实人类都是不能真正达到的。
即便人类距离绝对零度如此之近,也是只能无限接近而不能真正达到。
绝大部分物质的固液气三种相态的温度,都在数千度以下,高于数千度,就会等离子化。
而人类赖以生存的水,三相点温度仅仅只有 273.16K。
这就决定了,人类的认知,主要就局限在这个温度区间。
而这个温度区间,相对于整个宇宙温度 10^32K 的变化区间来说,实在是太过于“低温”了。
任何空间必然存有能量和热量,并不断进行相互转换,守恒且不消失。所以真正的绝对零度是不存在的,除非该空间自始即无任何能量热量。在此一空间,所有物质完全没有粒子振动,其总体积并且为零。
我们不妨来看看,对这极高极高的大象,我们人类摸了多少吧:
2003 年 09 月 12 日,在实验室内,用光子精准轰击原子,让原子动能接近零,达到了仅仅比绝对零度高 0.5nk(0.5*10^-9K)的温度。
布莫让星云是人类目前所知的宇宙之中能够找到的最低温度区域,零下 272°。
0℃是地表水融化的温度。
33℃是我们手指能够感觉到温暖的最低温度。
45℃我们会觉得热,超过 50℃便会被烫伤。
而超过 100℃,便能破坏绝大多数生命的蛋白质结构……
温度反应的是微观粒子运动的激烈程度。我们之所以会被烫伤,便是组成我们身体的分子,因激烈运动而破坏了细胞组织。
374℃,是水的临界温度,在这个温度之上,给水施加多大的压强,它都不会液化。
水的临界压强是 22.12MPa,这意味着在 200 米的深海加热,水永远不会沸腾。
525℃,被称为 draper point。超过这个温度,几乎所有的固体材料都将开始发出可见光。这意味着,分子热运动激发的电磁波正好缩短到可见光的波段。
1000℃,是火山熔浆的温度,这个温度几乎可以点燃任何可以燃烧的物质。
如果给予足够的压力,也可以把所有的碳都变成钻石。
1538℃,是钢铁融化的温度,用手刀在流淌的铁水迅速砍过,我们的手并不会烫伤。
这是莱顿弗洛斯效应,这是因为,瞬间汽化的水蒸气隔开了铁水与皮肤的直接接触。
2808℃,是黄金沸腾的温度,如果来一场黄金桑拿,将连人渣都找不到。
因为组成人体的所有元素,轻元素会被氧化成气体,重元素则会被变成液体单质。
6000℃,是地核的最高温度,也是太阳表面的温度。
地球上绝大多数的黄金都储藏在这里,甚至连科学家都不知道地核究竟是固体还是液体。
这么高的温度,连水都会被分解,开始变成等离子体的氢和氧。
1 万℃,是深入太阳表层的温度,各种元素已经完全等离子体化。
在这里流动的炙热等离子体,能蒸发所有的常规物质。
10 万℃,是星云的平均温度。
但我们沐浴在星云中并不会被烧伤,因为它们的能量密度很低。
1500 万℃,是太阳内核的温度。
太阳每秒中释放的能量高达放 3.8*10^26 J,如果一瞬间作用在地球上,足以在 20 分钟融化整颗地球。
不过太阳的功率密度仅仅只有 0.0002W/kg,而人类的是 2W/kg。
如果存在太阳那么大的一个人,他释放的光芒将比太阳亮 1 万倍,足以把遥远的海王星表面融化,变成熔岩星球。
3.5 亿℃,是氢弹爆炸所能产生的温度。
它的爆炸核心,足以彻底摧毁宇宙中的一切宏观物质。
1 千亿℃,足以摧毁所有元素,一切物质化作一颗颗基本粒子。
它也是蓝超巨星(沃尔夫·拉叶星)wR104 超新星爆发的温度。
在几十万年内,如果它爆发角度恰好对准地球。
将足以摧毁臭氧层,造成第六次生物大灭绝(人类现在算第六次,那就改成第七次)。
10 万亿℃,是人类通过粒子对撞机所能轰出的最高温度。
科学家曾一度担心,粒子对撞会产生小型黑洞,从而毁灭地球。但事实证明,它并不会产生黑洞。
即便真的产生,它也只会是远远小于肉眼的微型黑洞,会在霍金辐射下瞬间蒸发。
这是人类所能摸到的最高温度。
再之后的温度世界,仅仅只存在人类的理论和想象之中。
物质世界很长一段时间,都以夸克 - 胶子等离子体为主。
……
1000 万亿℃,宇宙大爆炸 10−12s 秒的温度,费米子(夸克、电子等)与希格斯场发生耦合,从而获得质量。
100 万亿亿℃,宇宙大爆炸 10−32s 秒的温度,弱力、电磁力处在统一的状态。
1000 亿亿亿℃,宇宙大爆炸 10−36s 秒的温度,弱力、电磁力、强作用力处在大统一的状态。
1.4 亿亿亿亿℃,宇宙大爆炸 10-43 秒的温度,一个普朗克时间之后,产生的温度。
因此它又被成为普朗克温度,在这个温度,宇宙依旧包含构成未来世界的所有物质基础。
此时的宇宙处于一种未知的状态(有理论物理学家称为万有理论),连量子力学和相对论都无法描述。有物理学家认为,此时处在一种量子引力效应(quantum gravity)的状态。
普朗克温度是我们的理论最高温度,是否我们理解的理论之外还有更高的温度,其实更是未知的。
就像我们永远无法真正知道普朗克温度下的世界,我们其实也根本不知道,绝对零度的世界。
虽然绝对零度无法达到,但却可以无限逼近,那么逼近绝对零度会发生什么呢?
我们可以通过粒子的物质波(德布洛伊波长)进行初步观察。
定义如下:
分子动能与热力学温度成正比,温度越低,粒子物质波的波长越长,粒子与粒子之间的物质波有很大的重叠,因此量子力学的效应就会变得很明显。
理论上,当物质达到绝对零度,粒子的物质波会达到无限长度。
爱因斯坦推测将玻色子冷却到非常低的温度后,它们会“凝聚”到能量最低的可能量子态中,导致一种全新的相态,是为玻色–爱因斯坦凝聚(Bose–Einstein condensate)。
玻色–爱因斯坦凝聚是玻色原子在冷却到接近绝对零度,所呈现出的一种超流性的物质状态。
玻色–爱因斯坦凝聚的性质极其特殊,不仅没有摩擦力,可以永无止尽地流动,还可以锁住光子。
通过激光改变玻色 - 爱因斯坦凝聚原子状态,使其对一定频率光子的折射系数骤增,便能可以把光速降低至数米每秒,做到锁住光子的效果。
这样的凝聚态自传时,光子无法逃逸,因此还可以作为黑洞模型。
这些神奇的现象,是我们尚未达到真正绝对零度所观察到的。
如果说人类摸不到普朗克温度,是它的高度对于我们来说,真的太高太高了。
那么,摸不到真正的绝对零度,或许就像我们永远摸不到大象的脚底一样。