前文中老芦说到温度的下限是绝对零度,即-273.15°C,那么上限呢?上限真的是无穷大吗?
我们知道地球核心的温度是6000°C,与太阳表面的温度相同,而太阳核心的温度是1500万°C,那里的压力达3千亿大气压。在这种极端环境下,氢核聚合为氦核,称核聚变反应。人们发现,核聚变比核裂变能产生更加巨大的能量。一座1百万千瓦的大型核电站,每年需要30吨的低浓铀原料;而一座1百万千瓦的火力发电站需要350万吨的标准煤。而用核聚变,只须100公斤的重水(或氘)和锂。同时,与目前的核电站相比,核聚变安全性更好,也更清洁,因为核裂变产生大量的核废料污染,而核聚变的产物只有无害的氦气。核聚变发电的应用还在研发中,韩国人声称在2030年可望成功。
基于上述的原因,人们在追求可控核聚变的征途上进行了艰辛的探索。核聚变是在高温高压下进行的,在地球上是无法获得三千亿个大气压的环境的,那就只能在提高温度上动脑筋了。人们造出了氢弹,其中的核聚变是由原子弹作为引爆弹,造成五千万度的高温而引发的,属于不可控核聚变,除了破坏,没有实用价值。经过几十年的努力,中国人的探索卓有成效,即将造出了温度高达一亿度的“小太阳”,实现了磁约束可控核聚变。但是前面的路还很长,距离实用还需数年或数十年。
一亿摄氏度是人们能够达到的最高温度吗?不!在粒子加速器中,粒子被加速到亚光速,它们获得了巨大的动能,一旦它们之间发生高速碰撞,就会产生极高的温度。目前,人造最高温度的纪录是由大型强子对撞机创下的,氢原子核和铅原子核的高速碰撞制造出了10万亿度的超高温。在这种高能碰撞中,质子和中子裂解开来,产生所谓的夸克汤,每立方厘米重达400亿吨。
10万亿度,这是个难以想像的天文数字了,是不是可以说温度可以无限升高到无穷大呢?不!那上限是多少?一亿亿亿亿度!这是个什么概念,就是在1的后面加32个零!哈哈,你老芦就是信口开河吧?非也,老芦微末之人,岂敢如此狂妄,不过是鹦鹉学舌,拾人牙慧罢了!学谁的舌,拾谁的牙慧?普朗克,马克斯 普朗克!没听说过?那你太孤陋寡闻了!20世纪,物理学界(或曰整个科学界)有两头大牛,堪与太上老牛牛顿比肩,一个是爱因斯坦,另一个就普朗克!1921年,爱因斯坦获诺贝尔奖,1918年,普朗克获诺贝尔奖,比老爱还早了三年!
爱因斯坦是相对论的发明者,他发现了质能转换方程式,光速不变而且不可超越。普朗克则是量子力学的创始人,通过数学推导,发现目前宇宙温度的上限为1亿亿亿亿度,不可超越,这就是人们所说的普朗克温度。两位大牛惺惺相惜,留下科学史上的不少佳话。普朗克对科学的贡献远远不止上述这些,不过这里老芦只想说说普朗克温度。
普朗克温度是怎么来的呢?在宇宙形成之初,整个宇宙还是一个没有体积的奇点,这个点质量极大,在其发生大爆炸的一瞬间,大量的质量被转化成了能量,这些能量中有很大一部分变成了热能,因此宇宙中的最高温只在爆炸的一瞬间出现过,这个温度就是普朗克温度。在这之后,出现了各种基本粒子,虽然这些基本粒子聚集成恒星之后也能产生大量的热,但是恒星的质量与奇点的质量相比根本不值一提,所以说即使再强大的恒星,也无法制造出比大爆炸更高的温度。于是这个温度就成了宇宙温度的上限:普朗克温度!这个温度也是人类永远无法制造出来的,如果要想制造出这个温度,理论上就要再把宇宙缩回一个奇点,这显然是不可能的。
需要说明的一点是,温度的下限是-273.15°C(0K),这个温度是个理论极限值,宇宙间从未出现过这个温度。如果达到这一温度,粒子完全停止运动,粒子的位置就确定了,这就违反了量子力学最基本的粒子不确定性原理,或曰测不准原理,所以绝对零度永远不可能出现。有意思的是温度的上限普朗克温度可是确确实实出现过,它发生于138.2亿年前宇宙大爆炸的那一瞬间,然后随着宇宙的急速膨胀,温度也急剧下降,但至今没有达到热平衡。最热的恒星表面温度有21万度,核心达2亿度。超新星爆发时,中心温度有几百亿度。中子星反生碰撞时,可产生几千亿度的高温,像金,锶,铀等最重的元素就在这种条件下生成。
宇宙中已知的最低温地区,是距离我们5千光年的半人马座旋镖星云(Boomerang nebula)中心附近,那里的温度仅为1K左右,而宇宙的背景幅射约为3K。根据热力学第二定律,宇宙在不停地进行熵增过程,终于有一天到到热平衡,“环球同此凉热”,世界大同,进入所谓的热寂状态,据说那时宇宙的温度就是2.73K。绝对零度是-273°C,热寂温度是2.73K,其中的玄妙,耐人捉摸。那一天何时到来,估计只有上帝知道。当然,这热寂说也只是理论假设,也没有被所有的学者接受,还有争议。再说了,绝对零度都只能无限接近而永远不可能达到,热寂现象也许能够接近,但绝不可能发生。
最后说一句,老芦说普朗克温度是1亿亿亿亿度只是为了偷懒,实际上的普朗克温度 T=1.416833× 10的32次方K。