为什么宇宙当中的温度会有上下限？ 第1页

这是个常见的误会。

在热力学温度的定义下，绝对零度是热力学温度的下限；在统计热力学中，负绝对零度可以说是热力学温度的上限；要达到这些需要无限的能量或无限的步骤。你可以想象无限的能量摧毁一切构造、将影响范围的时空送回永恒暴胀态；绝对零度也可能不止意味着“粒子的热运动停止”，量子泡沫大概都会被镇压；热力学定律会在你的绝对零度面前分崩离析，永动机降临在世上。

普朗克温度并不是热力学温度的上限。“大爆炸时的温度是普朗克温度”也是毫无保证的，暴胀宇宙论下可能从未达到那么热。

宇宙是混乱度没有上限的系统，达不到正无穷大温度。“宇宙中的一小块区域”则不限于此。

题目中的“绝对高温，也就是宇宙温度的上限，会让物理定律失效”是对普朗克温度的误解。达到或超越普朗克温度时会发生的现象是不能期待靠现有模型准确推导的，但可能有别的模型能够描述。不求准确的话，你可以考虑超过普朗克温度后时空的连续性会出现问题，真空中涨落出黑洞。

用中学物理的热运动定义去幻想“分子热运动速度不能达到真空光速，所以温度有上限”时，要考虑分子的相对论质量变化，“不能达到光速”并不阻止其能量进一步增大。何况分子在这种“加热”过程中早就电离了，原子核也会变为强子气，进而变为夸克胶子等离子体——没有什么分子了。中学物理描述不了那些。

实验室里已经造出过夸克胶子等离子体。

温度不止有分子热运动速度那一种定义方法。统计热力学中，热力学温度的无穷大有意义且可超越。

对于具有有限量子态的体系，例如激光发生晶体，当持续提高体系的内能直到体系混乱度已经不随内能变化而变化时，在统计热力学上达到无穷大温度。

此时再进一步提高体系内能，将产生粒子布居反转，接下来体系的内能增加时混乱度反而减少，此时热力学温度为低于 0 开尔文的负值。

无法通过有限次步骤让这个状态下的体系达到 0 开尔文。

即：

在有限量子态体系中，正绝对零度<正温度<正无穷大温度=负无穷大温度<负温度<负绝对零度。

• 从两个方向上，绝对零度都不能达到。可以说这就是热力学温度的上限和下限。

极小规模的负温度体系已经被人类创造出来。可以参照：

S. Braun, J. P. Ronzheimer, M. Schreiber, S. S. Hodgman, T. Rom, I. Bloch, U. Schneider. Negative Absolute Temperature for Motional Degrees of Freedom. Science, 2013; 339 (6115): 52 DOI: 10.1126/science.1227831