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我們都知道溫度有下限絕對零度,速度有上限光速,為何會這樣?

簡單回答:因為我們生活在一個有限的宇宙中。

有限的宇宙中容納不了無限之物或者無限之屬性,無論是哪一種屬性,都不可能是負無窮到正無窮,任何一種物理屬性,速度、溫度、質(zhì)量、體積、密度等,只要能想得出來能進行測量的屬性,取值范圍都不可能是負無窮到正無窮,只能在一個有限的集合中進行取值。

所以,可以拓展一下,溫度不僅有下限,同樣也有上限,上限就是宇宙大爆炸那個瞬間的溫度,至此之后,宇宙中不可能出現(xiàn)超越宇宙大爆炸那個瞬間的溫度,那就是我們這個宇宙中溫度的上限值,它大約是多少呢,經(jīng)物理學(xué)家估算,大約為10^32K。

圖示:宇宙的溫度變化圖,宇宙創(chuàng)生的瞬間10^-43秒時,決定了我們這個宇宙溫度的上限為10^32K,超過這個溫度,等同于您就能創(chuàng)造一個新的宇宙。

現(xiàn)在,我們來說說,速度上限和絕對零度是怎么回事兒。

先說絕對零度,這個比較簡單,就一句話。

絕對零度是粒子絕對靜止或達到量子力學(xué)最低點時的溫度,因為溫度的本質(zhì)是粒子的運動,此時的溫度被標記為0K,或定義為絕對零度。

圖示:對理想氣體溫度和壓力關(guān)系的研究,推算出了絕對零度的值。

在研究超低溫世界的時,物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了許多奇妙的物理現(xiàn)象,比如最著名的超導(dǎo)現(xiàn)象(電阻為零),比如超流體現(xiàn)象,液氦能翻越一定的障礙,自動地從高處流到低處。

圖示:液氦的超流體現(xiàn)象,液氦能自動從高處流到低處,這聽起來不稀奇,但稀奇的是它能翻越障礙。這就像你放在桌上杯子里的水,自動從杯子里流動了杯子外,不是從下面漏的而是從上面漏的。

目前超低溫物理學(xué)家達到的極限低溫是低溫實驗室在1999年達到1.0×10^-10K。但根據(jù)量子力學(xué)原理,絕對零度是可望不可及的,因為存在真空能,只要能量大于零,溫度就不可能等于0,說到最后,一切都和能量有關(guān)。

速度上限的原因,因為能量是有限的

注意,不論真空光速的具體速度是多少,有靜止質(zhì)量的粒子都不可能超越真空光速,這是由愛因斯坦的狹義相對論所決定的,隨著運動粒子的速度增加,其質(zhì)量不會保持不變,而是會變大,隨著速度越來越接近光速,那么質(zhì)量也就會越來越大,當速度達到光速時,質(zhì)量也將達到無限大,這意味著這個運動中的粒子將擁有無限大的能量,這是荒唐的。

圖示:只有當粒子的運動速度非常非常接近光速時,其質(zhì)量的變化才變得十分顯著。

因為在我們這個有限的宇宙中,容納不下一個擁有無限大質(zhì)量的粒子,因為整個宇宙的全部能量在宇宙大爆炸那一刻就被決定了,它只有10^19GEV這么多,不管這個數(shù)字有多大,它都是一個有限的數(shù)字,不是一個無限的數(shù)字。

那為什么光子能達到真空光速呢?

因為光子并沒有靜止質(zhì)量,所以光子在真空中以真空光速時,就不會擁有無限的質(zhì)量和無限的能量,否則任何物體被光子一照,都將灰飛煙滅了,不僅物體灰飛煙滅,整個宇宙被這一照都要灰飛煙滅。但光子擁有所謂的運動質(zhì)量,或者相對論質(zhì)量,這個質(zhì)量可以根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能公式進行換算 E = MC^2,根據(jù)光子擁有的能量可以得到它的運動質(zhì)量。

另外,關(guān)于光速還隱藏個一個更深奧但很少有人關(guān)心和意識到的一個問題:

為什么光速(真空)大約為每秒30萬公里,而不是每秒三百萬公里又或者每秒3萬公里呢?

當然這些數(shù)字都是在現(xiàn)有的度量衡下得到的,而不是通過耍無賴改變每公里的長度或者改變每秒鐘的尺度來搞數(shù)字游戲,那樣做您想得到什么數(shù)字就能得到什么數(shù)字。如果真空光速發(fā)生劇烈變化對于我們的宇宙意味著什么呢?部分物理學(xué)家正在思考這個問題。

與此相關(guān)的問題是,亙古以來,宇宙中真空光速是否在發(fā)生著細微的變化,比如從前的光子比現(xiàn)在的光子運動得更快一點或者更慢一點?目前這個問題還沒有確切的答案。

唯一的例外大概是黑洞,據(jù)說黑洞有無限密度,但這導(dǎo)致了一個悖論,物理學(xué)家正在修復(fù)這個悖論,最終的結(jié)果很可能是黑洞也不能擁有任意一項無限的屬性,比如密度。

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