问题

为什么宇宙当中的温度会有上下限?

回答
你这个问题触及到了我们对宇宙最核心的认知,它不像我们日常生活中理解的温度那么简单,有“高”有“低”。宇宙的温度,尤其是它的“上下限”,其实是描述了极端物理条件下的能量状态,这些状态是由物理定律本身所决定的。

我们先聊聊“下限”。说宇宙有温度下限,其实是在说它不可能变得比一个特定的最低点更冷。这个最低点,我们称之为绝对零度,也就是零开尔文(0 K)。在摄氏度里,这大约是零下273.15摄氏度。为什么会有这么一个底线呢?这跟物质最基本的构成单位——粒子——的运动有关。

我们知道,温度本质上是物质内粒子(比如原子、分子)的平均动能的表现。粒子运动得越剧烈,物质就越热;它们运动得越缓慢,物质就越冷。当你试图让物质变得更冷,就是试图让这些粒子运动得更慢。但粒子不可能完全停止运动。即使在绝对零度,量子力学也要求粒子仍会存在一种最低限度的“零点能”振动,这是一种基础的、无法被完全消除的量子效应。所以,粒子只能无限接近静止,却无法真正抵达绝对的静止。因此,也就不可能存在比绝对零度更低的温度。想象一下,如果你想把一个东西弄到“不那么动”,你总会发现它总有一点点在颤抖,无论你怎么努力。宇宙的冷,就是被这个“基础颤抖”限制住了。

现在,我们来看看“上限”。宇宙有没有一个最高温度?这个问题稍微复杂一些,因为它涉及到宇宙的起点和极端物理情况。通常我们认为宇宙的最高温度存在于宇宙大爆炸的最初瞬间。那时,宇宙所有的物质和能量都被压缩在一个极小、极热的点里。那个点的温度,据我们目前的理论推测,是难以想象地高,远远超过我们日常能接触到的任何温度。

为什么会有这么一个“上限”呢?这和我们对大爆炸的理解有关。在宇宙极早期,能量密度高到离谱,各种基本粒子以极高的速度碰撞,产生出我们今天无法想象的能量和粒子状态。随着宇宙的膨胀,这些能量和粒子被稀释,物质的平均动能也就降低了,温度随之下降。可以这么理解,宇宙的“热”来自于它最初能量的集中,而这种集中是有极限的,因为那是一个特定的历史时刻。

另外,从粒子物理的理论来看,随着温度升高,粒子会变得越来越小、越来越活跃,但物理定律似乎也暗示着,在某个极端高温下,物质本身的结构和性质会发生根本性的变化,甚至可能会进入一种我们尚未完全理解的“量子混沌”状态。理论上,我们无法想象比这个初始状态更热的宇宙,因为那意味着更小的尺度、更高的能量密度,这超出了我们现有的物理模型能够描述的范围。

所以,你看,宇宙的温度上下限,并非人为设定的界限,而是由物质最基本的运动规律和宇宙的起源故事所共同决定的。一个是粒子运动的量子本质所决定的“绝对静止”的最低点,另一个是宇宙诞生之初极端能量密度所定义的“最热”的起始点。它们是宇宙运行法则的体现,是我们理解整个宇宙演化和运作方式的重要基石。

网友意见

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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。

QCD 相图

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

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