對于物體的冷熱程度，我們通常會(huì)用具體的溫度進(jìn)行定量表示，例如，氣溫是10 ℃，開水是100 ℃（1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下）。溫度可以很高，太陽的中心溫度可達(dá)15,000,000 ℃，而最高溫度更是高達(dá)1.4×10^32 ℃，也就是1.4億億億億度。
那么，物體的溫度究竟是怎么來的呢？為什么開水的溫度剛好是100 ℃，冰的溫度剛好是0 ℃？為什么溫度會(huì)有上限？如果溫度達(dá)到上限又會(huì)怎樣？
宏觀物體都是由微觀粒子組成的，元素周期表中的118種元素構(gòu)成了我們所知的物質(zhì)世界。無論是原子，還是離子，或者分子都在做熱運(yùn)動(dòng)，包括平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)。粒子的熱運(yùn)動(dòng)貢獻(xiàn)了物體的內(nèi)能，這就是物體的溫度來源。
因此，溫度本質(zhì)上表征了粒子熱運(yùn)動(dòng)究竟有多劇烈。粒子的熱運(yùn)動(dòng)越劇烈，物體的內(nèi)能越高，表現(xiàn)出的宏觀溫度也就會(huì)越高，反之亦然。當(dāng)粒子不再運(yùn)動(dòng)時(shí)，將會(huì)達(dá)到最低的絕對零度。
至于物體的具體溫度數(shù)值，則取決于定義方式。生活中最常用的是攝氏溫標(biāo)（℃），它把水的冰點(diǎn)定義為0 ℃，沸點(diǎn)為100 ℃，以此為基準(zhǔn)進(jìn)行100等分。熱力學(xué)中最常用的為開氏溫標(biāo)（K），把最低溫度定義為0 K，它與攝氏溫標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系為℃=K-273.15，即絕對零度為-273.15 ℃。
絕對零度作為溫度下限，這是不可能達(dá)到的。因?yàn)榱Ｗ拥臒徇\(yùn)動(dòng)不可能停止，否則將會(huì)違背相對論和量子力學(xué)。另一方面，既然粒子運(yùn)動(dòng)越快，溫度越高，這是否意味著溫度能夠不斷上升，直至無限高呢？
關(guān)于這個(gè)問題，就不得不提到愛因斯坦的狹義相對論。根據(jù)相對論，宇宙中的物體運(yùn)動(dòng)速度是有上限的，那就是每秒將近30萬公里的光速。盡管相對論限制了速度上限，但卻沒有限制動(dòng)能上限。
根據(jù)相對論的質(zhì)速關(guān)系：
在低速的情況下，動(dòng)質(zhì)量（m）可以認(rèn)為保持不變，采用靜質(zhì)量（m0）即可。但當(dāng)速度（v）足夠接近光速（c）之時(shí)，動(dòng)質(zhì)量將會(huì)急劇上升，直至趨于無窮大，這意味著動(dòng)能也會(huì)隨之趨于無窮。
然而，根據(jù)量子力學(xué)，粒子的動(dòng)能并不能無限大，溫度也不會(huì)無限高。因?yàn)殡S著溫度的不斷升高，粒子的狀態(tài)會(huì)不斷發(fā)生變化，原子、質(zhì)子、中子、電子等結(jié)構(gòu)都會(huì)悉數(shù)崩潰。以質(zhì)子為例，當(dāng)極端的高溫把它們分解成夸克湯之后，每立方厘米的夸克湯重達(dá)400億噸。
當(dāng)溫度達(dá)到普朗克溫度，即1.4億億億億度之時(shí)，主宰宇宙的四大基本自然作用力將會(huì)合并在一起，成為大統(tǒng)一力，現(xiàn)有的物理定律全部崩潰。此時(shí)，宇宙只有純能量，時(shí)間和空間也會(huì)失去意義。事實(shí)上，在138億年前，宇宙從無限小的奇點(diǎn)中誕生之初，就是處于這種極端的狀態(tài)。
物理學(xué)家通過粒子加速器，把粒子加速到亞光速狀態(tài)，讓它們互相碰撞，以產(chǎn)生極高的溫度，由此來了解早期宇宙的狀態(tài)。目前，物理學(xué)制造出的最高溫度為1×10^13 K，也就是10萬億度，但這距離普朗克溫度還差得很遠(yuǎn)。
值得強(qiáng)調(diào)的是，普朗克溫度只是現(xiàn)有物理體系所能理解的溫度上限。也許溫度還可以變得更高，但要理解那種溫度狀態(tài)，需要一套超越目前物理學(xué)的大統(tǒng)一理論，而這正是當(dāng)今物理學(xué)家所孜孜追求的真理。
聯(lián)系客服
