宇宙最低温度的限制是-273.15℃,也就是我们常说的绝对零度,有了具体数字的存在,而且也经常被人提起,所以我们都知道宇宙有极限低温。但是极限高温呢?一般我们很少提到极限温度这个概念,所以导致我们很多人认为宇宙中的温度是无限的,可以任意的升高,但是整个宇宙的能量是有限的,那么又如何能存在无限高温呢?下面我们就说下宇宙的最低温度和最高温度!
首先我们了解下什么是温度
在物理学中,我们将有质量的粒子一般称为物质粒子,例如:质子、中子、电子,而那些无质量的粒子则称为辐射粒子,例如:光子。能量越高的物质粒子,说明其携带的动能越高,也就是运动速度越快,在宇宙学中我们会简单的称为“热粒子”,而那些动能低,运动速度慢的粒子称为“冷粒子”。能量越高的辐射粒子(光子),则拥有更短的波长、更高的频率。
我们在宇宙中所能看到的所有普通物质结构都是由原子构成的,当然一些物质是由原子组成的分子构成的,这些原子和分子在物质结构中并不是静止不动的,而且一直在随机运动或者振动,而随机运动和振动的粒子就拥有了一定的动能,说明其携带一定的能量,这个能量就变现为物质结构内部的热能。换句话说,粒子在物种中的随机运动或者振动是物质产生热量的根本原因。
而温度就是我们人类规定出来的,用以衡量物质中原子和分子所拥有平均动能的物理量。而绝对零度的定义是,物质中没有任何原子或者分子运动的状态,也就是物体的内能为0。而绝对零度也会让,宇宙中的基本粒子的动能为0,失去运动速度。这就违反了量子力学中的不确定性原理,任何物质粒子的动能和位置不可能同时确定,它们的乘积必须大约普朗克常数的1/2。而且辐射粒子,光子携带的能量也不可能为0,只会无限的接近0。所以,宇宙中不可能存在静止不动的粒子,也不可能存在不携带能量的光子,因此,绝对零度无法达到。
宇宙中的极限高温
我们知道整个宇宙中的所有物质和辐射粒子都来源于大爆炸,而大爆炸这个充满能量的状态来源于宇宙暴涨阶段,既然宇宙有起源,那么它肯定在过去的某个时刻存在极限高温。而且我们知道宇宙中的能量是守恒的,所以在宇宙诞生到现在能量并没有消失,那么我们将目前宇宙中所有的物质都转化为能量,并且将所有可能的能量形式都加起来,那么我们就能知道宇宙诞生时的极限温度了。
在我们的可观测宇宙中,目前存在着普通物质、暗物质、中微子、反中微子、辐射,以及空间中固有的能量,其中普通物质粒子大约有10^80,中微子和反中微子的数量大约在10^89,然后我们在加上所有的暗物质和暗能量,然后通过E=mc^2将所有的物质都转化为纯能量,而这个能量大约对应于10^103开尔文的温度。所以,我们将可观测宇宙中所有的能量都加在一起,是存在一个极限温度的。
为什么我们平时不说极限高温呢?
不说的原因是因为极限高温对我们人类来说,可望而不可即。不像绝对零度那样,目标就在眼前,虽然在理论上无法达到,但我们还可以通过技术手段无限的接近。而极限高温说的正是极限能量,其实我们人类一直在粒子加速器中追求更高的能量,但是我们人类所创造的能量,在宇宙中根本不值一提,比不上一颗无时无刻正在发光的太阳,比不上一次超新星爆发、比不上宇宙射线对地球的轰击、更比不上一次黑洞物质喷流和X射线、γ射线爆发。
而且在创造更高能量的过程中还会存在一些灾难性的限制。例如:
当我们把非常大的能量聚集在一个很小的空间内,就会创造出一个黑洞。不过这个黑洞并不是我们常见的那种能够吞噬一切的大型黑洞,而是微型黑洞。当我们将足够的能量附加于一个量子粒子,那么在非常小的尺度上就会创造一个微型黑洞,这个能量大约为10^19 GeV,但是微型黑洞由于质量非常小,会在极端的时间内通过霍金辐射衰变。因此,高能量下黑洞的形成,也会阻止人类创造极限高温。
在某一能量下,可能会重启宇宙暴涨阶段。宇宙的本质其实就是能量,能量可以创造一切,可以导致宇宙暴涨,可以诞生热大爆炸状态,可以创造出任何我们已知和未知的粒子,当能量达到一定的程度,就会造成空间呈指数膨胀。像是按下了宇宙重启的按钮。
因此,我们通常不说宇宙极限高温是多少,因为在我们人类看来,高温确实是无限的,因为我们永远无法达到,而且宇宙中到底有多少能量其实我们并不是很清楚,一些数值只不过是我们人类估算出来的。所以讨论极限高温是没有意义的。