ntljxs 发表于 2023-8-6 21:06:19

既然宇宙有最低温度下限,那有没有最高温度上限?

既然宇宙有最低温度下限,那有没有最高温度上限?

jeanefu 发表于 2023-8-6 21:07:17

前面有高赞回答说普朗克温度是温度上限,这显然是误读。类似的误读还有普朗克尺度是最小距离,普朗克时间是最短时间。普朗克xx只是指xx到达这个程度之后,现有理论必然失效,高于普朗克xx的xx当然可以存在,只不过此时物理规律必须要被大统一理论描述。

阿博科技 发表于 2023-8-6 21:07:32

热力学温标里面,温度的理论下限是“绝对零度”,理论上限叫做“绝对热”(absolute hot),与绝对零度相对应。
在当代物理宇宙学理论下,可能的最高温度是普朗克温度,其值为1.416785(71)×10^32K。

http://pica.zhimg.com/v2-8f07f49cd60e1b72f616cbedce9308ef_r.jpg?source=1940ef5c

有绝对零度(absolute zero),也有绝对热(absolute hot)

该如何理解普朗克温度?可以从两个方面去理解:
一、宇宙大爆炸之后,经过了普朗克时间(5.39 × 10^−44s)后,宇宙的温度。在小于普朗克时间的尺度里,我们的物理理论失效,虽然那时候宇宙可能更热,但超越我们的认知极限了。


二、如果一个物体达到普朗克温度,它将发出对应于普朗克长度(1.616255(18)×10^−35 m)波长的黑体辐射。如果温度更高,它将发出比普朗克长度更低波长的黑体辐射,我们缺乏相应的理论,失效again。



越高的温度所对应的的黑体辐射波长峰值越小。

----华丽分割,以上理论,以下现实----
普朗克温度只是一个根据量纲分析得来的理论温度,并没有什么现实意义。回归现实,还是要看看我们现实宇宙中的物质能够被加热到什么样的温度。
20世纪60年代,在欧洲核子研究委员会(CERN)工作的哈格多恩提出,在温度超级高的情况下,强子都将“熔化”(melt),所有我们熟悉的由强子组成的物质都将变成一碗“夸克汤”,经过计算,这个温度大约在2×10^12K,因此被称为“哈格多恩温度”。哈格多恩认为,处于哈格多恩温度下的系统可以容纳尽可能多的能量,因为形成的夸克提供了新的自由度,继续增加能量将只会增加熵,而不是温度,因此哈格多恩温度将是一个无法通过的绝对高温。



德国物理学家哈格多恩

也有反对者认为,夸克物质也可以被进一步加热。
这个分歧已经可以用实验来验证了,10^12K温度级别对现代的人类来说,已经不是难事。这种夸克物质已经在欧洲核子研究中心的SPS和LHC,以及美国布鲁克海文国家实验室的RHIC的重离子碰撞中被发现。


在弦论中,也引入了这个“哈格多恩温度”,它被定义为让宇宙最基本的单元:弦所发生相变所需的温度。这个温度非常高,在10^30K级别,只比普朗克温度少了两个数量级,人类目前只能望尘莫及了。


近年来,又有人提出,在量子热力学中,某些系统可以达到“负温度”。
其实,“负温度”的系统比任何正温度的系统都要热。如果负温系统和正温系统接触,热量将从负温系统流向正温系统。这不是矛盾了吗?明明是负,怎么会比正的还热呢?
为了解决这一矛盾,科学家创造出了“冷度”这个物理量,为温度和玻尔兹曼常数乘积的倒数,从而解决了这一矛盾。温度为正的系统,熵值随着能量的增加而增加,温度为负的系统,熵值随着能量的增加而减少。所以,负温度是为了解释一些量子现象而引入的概念,在非量子体系下没有意义。



如上图,绿色为摄氏温度,红色为华氏温度,蓝色是开氏温度,黑色就是“冷度”,单位为“吉比特/纳焦耳”。这里的开氏温度以绝对零度为0,而以无限温度(可能是普朗克温度)为1,则越过了中间高点以后,再“高”的温度其实是“负温度。”

basd 发表于 2023-8-6 21:08:14

温度是个统计量,如果要对应出来的物理量的话,应该是粒子能量(不同分布可能会有点小差别:如普朗克分布,麦克斯韦玻耳兹曼分布,费米狄拉克分布)。
当对应粒子能量之后,他的上下限就会受到不确定性原理的限制:下限是能量为0,因此温度也为0,当然能量不可能为绝对的0,因此绝对0度也达不到;能量上限是普朗克能量,因此温度约为10^32K。现在的物理学描述不了更高的能量了。
当然之前说到了,定义为温度时,一般都有一个分布,在黑体分布里,当光子频率很低时(hv<kT),可以用瑞利-金斯定律来描述,而射电天文中会按照瑞利-金斯定律来定义一个亮温度,而对于快速射电暴,亮温度可高达10^34K,比之前的最高温度高,但是没有意义,因为最重要的是在此时,辐射不在遵从黑体辐射的定律,因此不能按这个公式计算。
总之,温度是统计量,单个的温度没有太多意义,要和统计的系统对应起来。

zhufup 发表于 2023-8-6 21:09:10

我不知道这个问题的答案,但是我想要澄清两个概念。
普朗克温度 之所以会有这个东西,是因为当粒子的能量(温度)增加的时候,它产生的引力也会增加。到了某一个点以后,我们现在已有的引力理论——广义相对论,会和量子理论出现矛盾:粒子的史瓦西半径比康普顿波长(可以简单理解为德布罗意波长)大,那岂不是要变成黑洞?普朗克温度就是目前物理学理论能够处理的能量上限,超过这个温度以后,必然需要一种量子引力理论,但是这东西已经是N年搞不出来了。但是你不会算不代表这个东西不存在,超新星还没人会算呢,总不能说超新星不存在。。。
负温度 这个东西出现是统计物理里面定义造成的。正常情况下肯定是在低能级的粒子多,高能级的粒子少,所以高能级的粒子越多说明系统越热。但是如果这个系统的能级有一个上限,你进一步加热它(感谢评论指出负温度不能通过加热得到,这里是指提高系统的总能量),粒子全往最高的能级上堆,拿原来的定义就会算出来负的温度。一个很简单的例子是激光器,只有三四个能级,靠泵浦光实现粒子数反转。但是问题是,宇宙是一个有限能级系统吗?

aixn 发表于 2023-8-6 21:09:41

温度的本质是微观物质运动的剧烈程度。当一个物体内的所有粒子都处于量子力学的最低动能时,运动的剧烈程度降低到了极限,那么温度就达到了绝对零度;相反,当粒子的运动剧烈程度高到接近光速时,那么温度就达到了最高温度,即普朗克温度(1.416833× 10的32次方K)。
宇宙能达到普朗克温度,应该只有大爆炸那一刻了,因为在大爆炸之前,物质是什么,时间是什么,温度又是什么。现在的宇宙在膨胀,冷却,所以现在应该找不到,但理论上是存在的。

这个问题目前还是有争议的,有人认为有最高,也有人认为没有最高。刚刚查了一下资料,发现认为有最高的人也不都认为普朗克温度是最高。
仔细想想,很多想法看起来好像都是对的,又好像都是错的,谁知道呢。严谨地说,这个问题的答案,都只是可能。像之前就有人回答了同样的问题:https://www.zhihu.com/question/23873182
之前打错假设了。。。应该是“接近光速”。
(一个有着仰天梦想的文科生 有错请指出)
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