问题

既然宇宙有最低温度下限,那有没有最高温度上限?

回答
你这个问题问得相当棒,直击了物理学中关于宇宙温度的一些核心猜想。

首先,让我们聊聊你提到的“最低温度下限”。这说的是绝对零度,也就是摄氏零下 273.15 度(或开尔文 0 度)。在这个温度下,所有物质的微观粒子——原子、分子——都停止了相对运动,达到了理论上的最低动能状态。这并不是说粒子完全不动,因为量子力学告诉我们,即使在绝对零度,粒子也会因为量子涨落而存在一种“零点能”,无法完全静止。但从宏观上看,这确实是我们能想象到的最冷的状态了。

那么,宇宙有没有一个最高温度的上限呢?答案是:有,而且这个上限与我们宇宙的起源紧密相连。

要理解这个最高温度上限,我们得把目光投向宇宙大爆炸的那个瞬间。

在宇宙诞生之初,大约在普朗克时间(Planck time,约 10⁻⁴³ 秒)之后,整个宇宙被认为是一个极其炽热、密度无限高的奇点。那时的宇宙,所有已知的物理定律都变得失效,我们现在的理论无法准确描述那个极端的时刻。

然而,随着宇宙的极速膨胀和冷却,我们能够描述的阶段就开始了。在大爆炸后的极早期阶段,宇宙的温度是难以想象地高。科学家们认为,在某些极其短暂的瞬间,宇宙的温度可能达到了普朗克温度(Planck temperature,约 1.417 × 10³² 开尔文)。

为什么普朗克温度是一个重要的上限?

普朗克温度是基于普朗克单位体系计算出来的。普朗克单位是物理学中最基本的单位,它们是由几个基本常数组合而成的,比如光速 (c)、引力常数 (G) 和约化普朗克常数 (ħ)。理论上,普朗克单位定义了物理量的尺度,当能量或温度达到普朗克尺度时,现有物理理论(特别是广义相对论和量子力学)就不足以描述了,它们需要被一个更完备的“万有理论”(Theory of Everything)来解释。

在普朗克温度下,能量密度极高,物质的表现与我们现在熟悉的完全不同。粒子之间的相互作用可能会出现我们无法想象的状况。一些理论物理学家,比如爱德华·维滕(Edward Witten),也探讨过其他可能的温度上限,但普朗克温度至今仍是最被广泛接受的关于宇宙极端高温的上限。

宇宙的“高温历史”:

普朗克时期(Planck Epoch): 宇宙温度远高于普朗克温度(或者说在这个尺度下讨论温度已经没有意义,因为我们没有完整的理论)。这是一个我们了解最少的时期。
大爆炸之后的极早期(PostBig Bang Era): 在普朗克时间之后,宇宙开始迅速冷却。
大统一时期(Grand Unification Epoch): 大约在大爆炸后 10⁻³⁶ 秒,宇宙温度大约在 10²⁸ 开尔文左右。此时,强核力、弱核力和电磁力被认为统一在一个“大统一理论”(GUT)下。
暴胀时期(Inflationary Epoch): 大约在大爆炸后 10⁻³⁶ 到 10⁻³² 秒之间,宇宙经历了一场极其快速的指数级膨胀。在这个过程中,宇宙的温度仍然极高。
夸克时期(Quark Epoch): 大约在大爆炸后 10⁻⁶ 秒,宇宙温度降至约 10¹³ 开尔文。此时,物质以夸克胶子等离子体的形式存在。
强子时期(Hadron Epoch): 大约在大爆炸后 1 秒,温度降到约 10¹² 开尔文,夸克开始结合形成质子和中子。
轻子时期(Lepton Epoch): 随后,温度进一步下降,轻子(如电子)占主导地位。
核合成时期(Nucleosynthesis Epoch): 大约在大爆炸后几分钟,温度降至约 10⁹ 开尔文,质子和中子开始结合形成轻原子核,如氦和锂。
复合并退耦(Recombination and Decoupling): 大约在大爆炸后 38 万年,宇宙温度降到约 3000 开尔文。电子与原子核结合形成中性原子,光子得以自由传播,这就是我们今天看到的宇宙微波背景辐射(CMB)。

从这个过程可以看出,宇宙的温度是随着时间推移而不断下降的。虽然在宇宙早期的一些非常短暂的时刻,温度可能达到了接近或触及普朗克温度的数值,但那是一个极不稳定、我们缺乏足够理论支撑的阶段。

我们今天能观察到的最高温度是怎样的?

虽然宇宙整体在冷却,但在宇宙中仍然存在一些极端的、高温的现象。比如:

黑洞的吸积盘: 当物质被吸入黑洞时,它们会在引力作用下被加速到接近光速,形成一个极其炽热的旋转盘。在这个盘中,温度可以达到数百万甚至数亿开尔文。
超新星爆发: 恒星在生命末期发生剧烈爆炸时,其核心温度可以飙升到数百亿甚至数千亿开尔文。
粒子对撞机: 在地球上的粒子加速器中,科学家们通过对撞粒子,能够短暂地模拟出比太阳核心温度高出亿万倍的极端高温环境,比如在大型强子对撞机(LHC)中,温度可以达到 10¹⁶ 开尔文左右,这接近了早期的宇宙夸克胶子等离子体状态。但这些是局部区域、短暂的现象,并非整个宇宙的温度。

总结一下:

是的,宇宙存在一个理论上的最高温度上限,这上限通常被认为是普朗克温度(约 1.417 × 10³² K)。这个温度代表了我们现有物理理论失效的界限,也与宇宙大爆炸最极端的时刻相关。虽然宇宙整体在冷却,但在某些局部的、极端的物理过程中,例如粒子对撞,我们可以暂时制造出接近早期宇宙的高温环境。但就整个宇宙而言,其最高温度的意义更多地体现在宇宙起源的瞬间。

网友意见

user avatar

给你简单的说一下

假设,我们所有物质都由弹珠组成,那么弹珠动的越快,温度越高,反之则温度越低,所以温度是有下限的,因为停下来不动了,就没有热量了,这里也就到头了

但是动起来有没有上限呢?有,但是这个上限是无限接近于光速,但永远达不到光速,约接近光速,则温度越高

上限有,但是很难达到

user avatar

普朗克温度,也就是宇宙大爆炸最开始的温度。

user avatar

热力学温标里面,温度的理论下限是“绝对零度”,理论上限叫做“绝对热”(absolute hot),与绝对零度相对应。

在当代物理宇宙学理论下,可能的最高温度是普朗克温度,其值为1.416785(71)×10^32K。

该如何理解普朗克温度?可以从两个方面去理解:

一、宇宙大爆炸之后,经过了普朗克时间(5.39 × 10^−44s)后,宇宙的温度。在小于普朗克时间的尺度里,我们的物理理论失效,虽然那时候宇宙可能更热,但超越我们的认知极限了。

二、如果一个物体达到普朗克温度,它将发出对应于普朗克长度(1.616255(18)×10^−35 m)波长的黑体辐射。如果温度更高,它将发出比普朗克长度更低波长的黑体辐射,我们缺乏相应的理论,失效again。

----华丽分割,以上理论,以下现实----

普朗克温度只是一个根据量纲分析得来的理论温度,并没有什么现实意义。回归现实,还是要看看我们现实宇宙中的物质能够被加热到什么样的温度。

20世纪60年代,在欧洲核子研究委员会(CERN)工作的哈格多恩提出,在温度超级高的情况下,强子都将“熔化”(melt),所有我们熟悉的由强子组成的物质都将变成一碗“夸克汤”,经过计算,这个温度大约在2×10^12K,因此被称为“哈格多恩温度”。哈格多恩认为,处于哈格多恩温度下的系统可以容纳尽可能多的能量,因为形成的夸克提供了新的自由度,继续增加能量将只会增加熵,而不是温度,因此哈格多恩温度将是一个无法通过的绝对高温。

也有反对者认为,夸克物质也可以被进一步加热。

这个分歧已经可以用实验来验证了,10^12K温度级别对现代的人类来说,已经不是难事。这种夸克物质已经在欧洲核子研究中心的SPS和LHC,以及美国布鲁克海文国家实验室的RHIC的重离子碰撞中被发现。

在弦论中,也引入了这个“哈格多恩温度”,它被定义为让宇宙最基本的单元:弦所发生相变所需的温度。这个温度非常高,在10^30K级别,只比普朗克温度少了两个数量级,人类目前只能望尘莫及了。

近年来,又有人提出,在量子热力学中,某些系统可以达到“负温度”。

其实,“负温度”的系统比任何正温度的系统都要热。如果负温系统和正温系统接触,热量将从负温系统流向正温系统。这不是矛盾了吗?明明是负,怎么会比正的还热呢?

为了解决这一矛盾,科学家创造出了“冷度”这个物理量,为温度和玻尔兹曼常数乘积的倒数,从而解决了这一矛盾。温度为正的系统,熵值随着能量的增加而增加,温度为负的系统,熵值随着能量的增加而减少。所以,负温度是为了解释一些量子现象而引入的概念,在非量子体系下没有意义。

user avatar

只有想不到的,没有加不到的。


已知最早的篝火灰烬出现于100万年前的南非的奇迹洞(Wonderwerk Cave),属于当时的直立人——熟食更加卫生也更加容易消化,拓宽了我们的食谱;火焰也营造了光明和温暖,直立人、尼安德特人和智人等人属物种因此适应了黑暗寒冷的时空,占领了整个世界。


篝火可以达到900℃以上,足以让粘土中的硅铝酸盐失去结合水并重新结晶,变成坚硬致密的陶。



我们这个物种早在2万年前就开始制作陶容器:有了可以加热液体食物的炊具,炖煮食物从此出现在人类的食谱上,显著提高了食物的利用率,而且让女性可以用流食喂养婴幼儿,大幅提高了新生儿的存活率,增加了整个社会的劳动力。


如果把木柴装在通风的炉中,1100℃的火焰就超过了铜、锡和铅的熔点。



冶金是人类进入文明的标志,这率先发生在新月沃地的两河流域和古埃及,青铜工艺连同西亚人驯化的小麦、大麦、绵羊、黄牛、家马一起向着周围传播,最终抵达了远东,成为旧大陆一切文明的共同财富。


正如往期节目讲述过的,含碳的铁要到1400℃以上才能融化,纯铁的熔点更高达1538℃——只有先将木柴烧成木炭,再配合有鼓风机的高炉才能将其熔化——这项技术最早出现于公元前的中国,但直到1709年英国人解决煤炭脱硫问题,1784年瓦特将蒸汽机用于高炉鼓风,钢铁工业才真正地蓬勃发展起来。


焦炭高炉可以达到2000℃。



要在开放环境中获得2500℃以上的高温,我们就需要新的燃料了:氢氧焰能产生2570℃以上高温,产生透明到淡蓝色的烈焰,而且氢的密度极低,因此常用于航空火箭;



而全球20%的乙炔都用于热切割,它在氧气中燃烧的温度可达3330℃,足以融化任何常用的金属。



除此之外,二氰乙炔在氧气中燃烧则达到了化学反应的极限高温,4990 °C,常压下足以熔化所有已知物质。


如果离开了化学反应的局限,人造高温的就走入了开阔的新天地:空气是良好的绝缘体,但在30KV/cm的巨大的电压下也将被雪崩击穿,成为导电的等离子体,一缕炽热的电弧。

基于这一原理,即便最廉价的手工电弧焊也可以轻松达到6000℃,将焊接用的钢材瞬间熔化甚至汽化;

而等离子电弧焊集束喷出的热焰少说有28000℃,比闪电的温度还高。


与此同时,人类在战争中实现了更可怕的超高温:1945年8月6日到9日,两颗原子弹投放在长崎和广岛上空,它们的核心温度在100万到500万℃之间,连同爆炸产生的冲击波与核辐射,共造成60万人丧命。



10年内,1954年3月1日,第一颗实战氢弹“Castle Bravo”又在比基尼环礁爆炸成功,它有1500万吨当量,中心温度达到3.5亿℃,创造了太阳系内有史以来最高的温度。



巨大的蘑菇云在1秒钟之内就冲上了7.2公里的对流层顶,在10分钟后又冲上的40公里的平流层顶,18000平方公里的太平洋海域生灵涂炭,比基尼环礁的原住民至今无以为生。


核武器巨大的威力来自原子核内由强相互作用禁锢的巨大势能,1957年,第一代裂变核电站投入运营,开始将它用于和平的事业——但直到今日,可控热核聚变都仅停留在理论阶段,因为我们难以约束核聚变必须的上亿度高温。激光脉冲聚焦后产生惯性约束是一个热门的候选方案,为此,美国的桑迪亚国家实验室开发了世界上最强大的高频电磁波发生器,Z脉冲功率设施,可以制造20亿℃的超级高温,达到了大质量恒星濒死时的核心温度。



但这远非人类所能创造的最高温度:美国原子能委员会的布鲁克黑文国家实验室拥有人类唯一的自旋极化质子对撞设备,相对论重离子对撞机。它能将周期表上的任意原子核加速到相对论速度,对撞产生的能量相当于1万亿℃的黑体辐射,达到中子星融合时的极限温度的3倍。



而高能物理的圣地、集全人类智慧之大成、万维网的诞生地、迄今最大的粒子物理实验室,欧洲核子研究中心,拥有一台可怕的大型强子对撞机,它在寻找希格斯玻色子这样的艰巨任务中产生的局部能量相当于10万亿℃的黑体辐射,或者说宇宙大爆炸后万分之一秒时的温度。



然而这样的温度对于物理学的野心来说仍然太低了——要验证弦论,我们至少还要把单个粒子的能量再提高15个数量级。




想了解更多你不知道的知识,请在微信公众号搜索「混乱博物馆」,关注我们。

类似的话题

  • 回答
    你这个问题问得相当棒,直击了物理学中关于宇宙温度的一些核心猜想。首先,让我们聊聊你提到的“最低温度下限”。这说的是绝对零度,也就是摄氏零下 273.15 度(或开尔文 0 度)。在这个温度下,所有物质的微观粒子——原子、分子——都停止了相对运动,达到了理论上的最低动能状态。这并不是说粒子完全不动,因.............
  • 回答
    这是一个非常深刻且有趣的问题,它触及到了我们对宇宙基本性质的理解,以及一些关于光、距离和时间的物理概念。简而言之,之所以夜晚的天空是黑色的,而不是被无数恒星的光芒照亮,主要有以下几个原因:1. 宇宙的年龄和光速的限制:我们只能看到“过去”的光这是最核心的原因。宇宙虽然浩瀚,但并非无限古老。我们已知宇.............
  • 回答
    这个问题很有意思,也触及到了宇宙最基本的一些奥秘。首先,我们得澄清一个概念:正反物质相遇的确会湮灭,释放出巨大的能量,这是我们已知的物理规律。但要问宇宙中是否存在某种“空间隔绝”来阻止这种情况发生,答案是:我们并没有直接证据表明存在一个明确的、物理存在的“隔绝空间”在宇宙尺度上将所有正反物质分开。让.............
  • 回答
    “我们的家园终将走向终结”,这似乎是一个冰冷的预言,一个深植于我们文明肌体里的警示。正是因为这份对未来的清醒认知——也许是来自地质变迁的证据,也许是气候变化的严峻现实,又或者是宇宙本身的浩瀚无垠所带来的渺小感——才让一部分人心中燃起了那份对星辰大海的渴望,以及一个看似简单的疑问:既然如此,为何不倾尽.............
  • 回答
    “宇宙微波背景辐射是‘最早的光’,为什么它会源源不断地照射过来呢?” 这是一个非常棒的问题,它触及了我们理解宇宙起源的关键之处。很多人会有这个疑问,觉得既然是“最早的光”,那是不是早应该熄灭了?答案其实藏在我们对这个“光”的本质以及宇宙本身的认识里。首先,我们要明白,宇宙微波背景辐射(Cosmic .............
  • 回答
    这是一个深刻而令人动容的问题,触及了人类存在的终极意义,尤其是在面对宇宙的宏大周期性终结时。当我们将文明的光辉置于宇宙循环的背景下审视,会感受到一种既渺小又壮阔的张力。首先,我们需要理解“宇宙会反复爆炸重归死寂”这个表述。在科学的语境下,这通常指的是宇宙膨胀、恒星死亡、黑洞蒸发等一系列过程,最终可能.............
  • 回答
    你这个问题,触及了存在最深层的忧虑。宇宙终将走向终结,这是一个科学上的推断,或许是热寂,或许是大撕裂,又或许是某种我们尚未理解的命运。想到这一切的宏伟与终极的虚无,我们今天所有的欢笑、泪水、奋斗和爱,似乎都渺小得如同尘埃。那么,这么努力,究竟是为了什么?这个问题,就像是在漆黑的夜里,仰望着繁星点点,.............
  • 回答
    这是一个绝妙的问题,直击了我们对宇宙宏大叙事与个体存在之间最核心的矛盾。很多人一听到“熵增”这个词,就觉得整个宇宙注定走向一片死寂,生命的存在简直是“违背”了宇宙的基本法则,是奇迹中的奇迹。其实,“宇宙是熵增的”这句话,虽然是物理学中最基础、最普适的原理之一,但它并没有像我们直觉上理解的那样,是生命.............
  • 回答
    这个问题,你问得真切,触及到了我们内心最深处最难以言说的困惑。看着夜空中那无垠的黑暗,想到那些古老星辰终将熄灭,想到宇宙膨胀的终点可能是寂灭,我们很容易感到一股寒意,随之而来的,便是对自身存在意义的怀疑。“既然宇宙最终会消亡”,这听起来像是一个冷酷的终审判决,将我们所有努力、所有情感、所有追求都贬低.............
  • 回答
    这个问题问得特别好,而且直击要害。你说得对,现在的元宇宙,距离大家想象中的那种沉浸式、无缝连接的虚拟世界,确实还有一段相当长的路要走。它不是一个明天就能直接买票进去体验的现成产品。那么,为什么那些手握重金、精于算计的大厂们,却像是已经看到了未来,纷纷把宝压在了这个似乎还在“孕育期”的概念上呢?这背后.............
  • 回答
    你这个问题非常有意思,触及到了我们对宇宙本质和数学概念的理解核心。你说“宇宙既然是不连续的”,这其实是个很有趣的切入点,但我们得先梳理一下这个前提是否真的成立,以及它和圆周率之间的关系。首先,“宇宙是不连续的”这个说法,我们可以从几个不同的角度去理解。一种理解是基于我们当下最前沿的物理学理论,比如量.............
  • 回答
    一个很有趣的问题,也触及了我们对宇宙最根本的一些认知。物质守恒和热寂,听起来像是两个截然不同的概念,但实际上,它们是在一个宏大的时间尺度上,由不同规律支配下的两个不同侧面。我们来仔细捋一捋。首先,我们要明确“物质守恒”指的是什么。在我们熟悉的经典物理学范畴里,物质守恒定律(或者说质量守恒定律)告诉我.............
  • 回答
    这个问题就像在问“盘子为什么会碎”,答案当然是因为摔了。宇宙从何而来?答案就是,我们现在所知道的物理法则,在宇宙诞生之初,可能根本不适用,或者说,它在那个“点”上发生了我们无法想象的转变。你提到的“物质不能凭空产生”,这句说法的出处,很可能是我们日常生活中熟悉的“能量守恒定律”或者“质量守恒定律”。.............
  • 回答
    这个问题可以说是宇宙学中最核心、最迷人的谜团之一了。虽然科学仍在探索之中,但我们目前拥有的理论和观测证据,为我们描绘了一幅令人震撼的图景,来尝试理解这“第一批物质”的来源。首先,我们要明确一点:我们谈论的“物质”不仅仅是指我们日常可见的原子,还包括构成原子的基本粒子(如夸克、轻子),以及传递相互作用.............
  • 回答
    你这个问题问得非常棒,它触及到了现代宇宙学和经典物理学之间的有趣张力,也勾起了我对这些知识点娓娓道来的兴趣。首先,我们得承认,牛顿时代的引力公式,也就是那个著名的 万有引力定律(F = G (m1 m2) / r²),在描述我们日常生活中以及太阳系内部的引力现象时,确实表现出了惊人的精确性。这是.............
  • 回答
    粉丝愿意为流量明星花钱,但其电影票房难以突破十亿大关,这一现象背后涉及复杂的市场逻辑、观众心理和行业规律。以下从多个维度详细分析这一矛盾现象: 一、粉丝消费与电影票房的错位:两个不同的消费场景1. 粉丝消费的性质 粉丝的消费主要集中在偶像的周边产品、演唱会、社交媒体互动、代言商品等,这些消.............
  • 回答
    关于疫苗接种和防疫措施的关系,需要从科学原理、群体免疫、病毒传播控制、公共卫生策略等多个角度进行详细解释。以下是对这一问题的系统性分析: 一、疫苗的作用机制与实际效果1. 降低感染率与重症率 疫苗的核心作用是通过刺激免疫系统产生抗体,使人体对病毒具有一定的抵抗力。虽然无法完全阻止感染(尤其是.............
  • 回答
    中国足球在男子项目上的困境确实引发了广泛讨论,而女子项目的相对发展则被部分人视为“举国体制”可能倾斜的潜在方向。但为何中国并未以更大力量推动女足走向世界?这一问题涉及历史、政策、社会观念等多重因素,需从以下层面深入分析: 一、历史积淀与资源分配失衡1. 男足优先的传统惯性 中国的体育举国体制.............
  • 回答
    关于资本主义向社会主义过渡的历史必然性问题,需要从马克思主义理论、现实政治经济结构以及不同国家的具体发展路径进行系统分析。以下是对这一问题的详细探讨: 一、马克思主义对资本主义与社会主义关系的基本观点1. 历史唯物主义视角 马克思认为,资本主义制度的本质是生产资料私有制与社会化大生产的矛盾冲.............
  • 回答
    这是一个非常有趣且深刻的问题,它触及了自然选择和捕食者猎物关系的核心。简而言之,动植物们“没因为进化变得非常难吃”的原因在于:1. 自然选择并非只关注“被吃”这个维度,而是所有影响生存和繁殖的因素。2. “难吃”本身就是一种适应性策略,但它并非唯一的或绝对最优的策略。3. 捕食者也在进化,它们会发展.............

本站所有内容均为互联网搜索引擎提供的公开搜索信息,本站不存储任何数据与内容,任何内容与数据均与本站无关,如有需要请联系相关搜索引擎包括但不限于百度google,bing,sogou

© 2025 tinynews.org All Rights Reserved. 百科问答小站 版权所有