速度有上限光速,温度有下限绝对零度,为何会这样?
简言之,我们生活在一个有限的宇宙之中。在这有限的宇宙里,它无法容纳那些无穷无尽的性质或事物。任何一种性质,无论是何种物理属性——速度也好,温度也罢,质量、体积或者密度——任何可以测量的物理属性,其数值范围都不是从负无穷到正无穷,只能在一个有限的数值集合里变化。
因此,我们可以进一步探讨,温度不仅有最低限度,同样存在一个最高限度,这个最高温度便是宇宙大爆炸那一刹那的温度。从那一刻起,我们的宇宙就不可能再达到比大爆炸温度更高的温度了。这就是我们宇宙的温度上限,据物理学家估算,这个数值大概为10的32次方K。
若谈及宇宙温度的演变图景,在宇宙诞生的10的负43次方秒那一瞬间,便已经注定了我们宇宙的温度最高点就是10^32K。若有超越此温度的存在,那便意味着您能创造出一个全新的宇宙。
现在,我们来探讨一下速度的上限和绝对零度的意义。
先谈绝对零度,这是个简单的概念。就一句话:
绝对零度指的是粒子达到量子力学的最低能态或完全静止时的温度。因为温度本质上是粒子运动的反映,当达到这种最低能态时,我们就将其标记为0K,也即绝对零度。
通过研究理想气体的温度与压力关系,我们推断出了绝对零度的具体数值。
在超低温的世界里,物理学家们发现了许多奇异的物理现象。例如,最为人们所熟知的超导现象(电阻消失),还有超流体现象——液态氦能够越过某些障碍,自动地从高处流淌至低处。
液氦的超流体现象尤其神奇,听上去似乎并不特别,但奇妙之处在于它能够跨越障碍,这如同一杯放在桌上的水,在没有漏洞的情况下,水竟然从杯子里流到了外面,而不是从下方漏出。
迄今为止,通过超低温物理实验,实验室在1999年达到了10的负10次方K的极限低温。然而,根据量子力学,绝对零度只能被接近而无法被达到,因为真空中仍存在能量,只要能量不为零,温度便不会降至0。归根结底,一切都和能量有关。
那么,为何存在速度的上限呢?因为能量是有限的。
要注意的是,不论真空中的光速具体数值为多少,具有静止质量的粒子永远无法超越光速。这是爱因斯坦狭义相对论所确定的。随着粒子速度的提高,其质量不会保持不变,而是会增加。当速度接近光速时,质量会变得非常大,当速度等于光速时,质量则趋于无穷大。这意味着,该运动中的粒子将拥有无穷的能量,这是荒谬的。
只有当粒子的速度极其接近光速时,其质量的增加才会变得尤为显著。
原因在于,在我们这个有限的宇宙中,不能容纳一个拥有无穷质量的粒子。因为整个宇宙的能量,在大爆炸那一刻便被确定下来,其值仅为10的19次方GEV,不管这个数字多么庞大,它仍然是一个有限的值。
那为何光子能够以光速在真空中运动呢?
那是因为光子没有静止质量,因此在真空中以光速运动时,不会拥有无穷的质量和无穷的能量。否则,任何物体只要被光子照射,便会立即消失,不仅物体会消失,整个宇宙在光子的照射下也会消亡。但光子确实具有相对论中的运动质量,或称相对质量,可以通过爱因斯坦的质能公式E = MC平方来换算其能量得到运动质量。
另外,关于光速还隐藏着一个深刻却鲜为人注意的问题:
为何光速(在真空中)是大约每秒30万公里,而不是更快或更慢呢?
当然,这些数值是在当前度量体系下得出的,而不是通过随意更改长度或时间单位来任意设定数值。如果您可以随意改变这些单位,那么您想要什么样的速度都可以。但是,如果真空中的光速真的发生了剧烈变化,这对我们的宇宙意味着什么呢?这是一些物理学家正在探索的问题。
与此相关的另一个问题是,自古以来,真空中的光速是否在微妙地变化?过去的光子是否比现在的光子移动得更快或更慢?目前,这个问题还没有确切的答案。
然而,有一种特殊情况是黑洞,据称黑洞具有无穷的密度。这引发了一个悖论,物理学家们正致力于解决这一悖论。最终的结论很可能是,即使是黑洞,也不可能拥有无穷的密度等性质。