溫度有下限絕對零度,速度有上限光速,大自然爲何會這樣?
簡單來說,由於我們所處的是一個有界宇宙,因此其無法容納任何無限的實體或屬性。無論是何種屬性,都不可能跨越從負無窮到正無窮的範圍。任何可以量化的物理屬性,比如長度、速度、重量、體積、密度等,它們的取值範圍都是有限的,而非無窮無盡。
因此,我們進一步探討,溫度不僅存在最低限度,同樣也有最高限制。這一極限溫度正是宇宙大爆炸發生那刻的溫度。從此刻開始,宇宙間不可能再出現超越大爆炸瞬間的高溫。換言之,這便是我們所知宇宙溫度的上限,據物理學家估算,這一數值大約爲10的32次方K。
繪製出宇宙溫度的變化曲線,我們會發現在宇宙誕生的10的負43次方秒那一剎那,便確定了我們宇宙溫度的上限——10的32次方K。一旦溫度超越此限,你便相當於在創造一個全新的宇宙。
緊接着,我們探討一下速度的極限以及絕對零度的含義。
絕對零度的概念相對簡潔明瞭。一句話就能概括:絕對零度就是粒子運動完全靜止或是降至量子力學所描述的最低能級狀態時的溫度。由於溫度本質上是粒子運動的反映,此時的溫度被設定爲0K,也就是我們所稱的絕對零度。
通過對理想氣體的溫度與壓力關係的研究,我們得以推算出絕對零度的具體數值。
在超低溫物理領域,物理學家們發現了許多奇特的物理現象。例如,最知名的超導現象(電阻消失),以及超流體現象——液氦能夠越過一定障礙,自動地從高處流向低處。
液氦的超流體現象之所以令人驚奇,並不僅在於它能自發地從高處流向低處,更奇特的是它能夠跨越障礙。這就如同你桌面上杯中的水,在沒有打翻或漏出的情況下,竟然越過了杯子邊緣流到了外面。
目前,在實驗室中,超低溫物理學家所能達到的最低溫度記錄是1999年創造的1.0×10的負10次方K。然而,根據量子力學理論,絕對零度是一個理論上可達但實際上無法觸及的極限,因爲真空中存在能量,只要能量不爲零,溫度就無法爲零。最終,所有的問題都歸結到能量上。
關於速度上限的問題,關鍵在於能量是有限的。
注意,無論真空中的光速具體數值爲多少,具有靜止質量的粒子永遠無法超越光速。這是由愛因斯坦狹義相對論的基本原則所決定的。隨着粒子速度的增加,其質量不會保持不變,而是會不斷增加。當速度接近光速時,質量也會趨於無窮大,意味着該粒子需要擁有無窮大的能量,這顯然荒謬至極。
只有當粒子的速度極爲接近光速時,其質量的變化纔會變得尤爲顯著。
由於我們的宇宙是有限的,它無法容納一個擁有無窮大質量的粒子。宇宙大爆炸發生時所蘊含的全部能量,總共只有10的19次方GEV,不管這個數值多麼龐大,它仍舊是一個有限的數字,而不是無限的。
那麼,爲何光子能夠達到真空中的光速呢?
答案在於,光子沒有靜止質量。因此,當光子以光速穿越真空時,它不會擁有無窮的質量和無窮的能量。否則,任何被光子觸及的物質都將瞬間消失,不僅物質會消散,整個宇宙在光子面前都會灰飛煙滅。儘管如此,光子確實具有所謂的運動質量,或者相對論質量,可以通過愛因斯坦的質能公式E = MC平方將其能量轉化爲質量。
此外,關於光速還隱藏着一個深刻卻鮮爲人知的問題:
爲什麼光速(在真空中)約爲每秒30萬公里,而不是更高或更低的速度呢?當然,這些數值是在現行度量體系下得出的,而不是通過隨意更改距離或時間單位來隨意設定數字。如果真空中的光速發生劇烈變化,對我們的宇宙意味着什麼?一些物理學家正在思考這一問題。
另一個相關聯的問題是,自古以來,真空中的光速是否發生了微妙的變化,比如過去的光子可能比現在的光子移動得更快或更慢?目前,這一問題尚無定論。
一個可能的例外是黑洞,有說法稱黑洞具有無限的密度。這引起了一個悖論,物理學家正在解決這一難題。最終的結論很可能是,黑洞同樣無法擁有無限的密度等屬性。