『量子科学论』会发生什么?,温度是否有限制?如果让一杯密封的水持续升温
温度是表示物体冷热程度的物理量 , 微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度 。
我们听说过宇宙中有绝对零度 , 也就是任何物质中分子和原子停止热运动的那个点 , 但我们从来没有听说过绝对高温 , 那么自然界中是否存在最高温度 , 或者是否高温本身就没有上限?今天我们就谈论下这个问题 。
我们先从初中知识说起 , 然后从这里开始升温 。
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假如将食用色素滴入不同温度的水中 , 会看到什么?水的温度越高 , 食用色素在水中扩散的速度就越快 。
为什么会这样呢?因为水的温度决定了水分子的运动速度 。 也就是说较热的水里的单个水分子会以更快的速度运动 , 这就造成了食用色素颗粒在较热的水里比在较冷的水里移动得更快 。
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如果我们想要完全停止一个物体中分子/原子的运动 , 让一切完全静止下来 , 甚至克服量子物理学不确定性的本质 , 那就需要我们把一个物体的温度降到绝对零度 , 这个温度就是热力学上可能达到的最低温度 。
但是换个方向呢?如果我们给一个粒子系统(一杯密封的水)不断的加热 , 粒子随机运动的速度肯定会越来越快 。 但是 , 你有没有想过这个温度有没有极限呢?如果不停的给一个系统加热会不会发生某种灾难 , 阻止我们超过某个极限温度?
持续给水加热
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在数千开尔文的温度下(太阳变面温度5500K) , 热量会开始破坏分子间的化学键 , 如果继续提高温度 , 能量就会开始剥离原子中的电子 。 于是我们就会得到一个离子化的等离子体 , 它完全由电子和原子核构成 , 根本没有中性原子 。
这时单个粒子(电子和正离子)依然会在高温下剧烈的运动 , 遵守与往常一样的物理定律 , 并不会发生什么特殊的事情 。 我们继续给系统加热 , 看看接下来会发生什么 。
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随着温度的升高 , 能量和物质就开始互相的转化 , 曾经我们认为的“粒子”也开始分解:
在温度大约8×10^9开尔文(80亿K)时 , 开始自发地从粒子相互碰撞的原始能量中产生物质和反物质对(电子和正电子) 。 在温度大约2×10^10开尔文(200亿K)时 , 原子核被高能光子撞击后 , 会炸成单个的质子和中子 。 在温度大约2×10^12开尔文(2万亿K)时 , 质子和中子不再存在 , 取而代之的是组成它们的基本粒子(夸克和胶子)开始四处碰撞 , 平时我们说夸克禁闭 , 这只是低能量下 , 在高能量下夸克不再受束缚 。 在温度大约2×10^15开尔文(2千万亿K)时 , 开始大量产生目前所有已知的粒子和反粒子
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不过 , 这仍然不是温度上限 。 但就在这个2×10^15开尔文(2千万亿K)的临界值附近 , 就会发生有趣的事情 。 这个温度下正是产生希格斯玻色子所需要的能量 , 因此在这个温度下希格斯场会停止与其他粒子耦合 。
换句话说 , 一旦我们把系统加热到高于这个能量阈值 , 就会发现所有的粒子现在都变成了无质量粒子 , 并且以光速四处飞行 。 这些物质、反物质和辐射的混合物 , 现在都会表现得像辐射一样 , 无论它是物质、反物质还是非物质 。
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如果我们继续把系统加热到越来越高的温度 , 这些粒子的移动速度虽然不会高于光速 , 但它们仍会继续携带越来越多的能量 , 就像无线电波、微波、可见光和x射线它们都是光的不同形式 , 以光速运行 , 但能量不同 ,
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