溫度為何有下限絕對零度?速度為何有上限光速?

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、質量、體積、密度等,只要能想得出來能進行測量的屬性,取值範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,問題可以拓展一下,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,至此之後,宇宙中不可能出現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,經物理學家估算,大約為10^32K。


溫度為何有下限絕對零度?速度為何有上限光速?

圖示:宇宙的溫度變化圖,宇宙創生的瞬間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,等同於您就能創造一個新的宇宙。

現在,我們來說說,速度上限和絕對零度是怎麼回事兒。

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最低點時的溫度,因為溫度的本質是粒子的運動,此時的溫度被標記為0K,或定義為絕對零度

溫度為何有下限絕對零度?速度為何有上限光速?

圖示:對理想氣體溫度和壓力關係的研究,推算出了絕對零度的值。

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

溫度為何有下限絕對零度?速度為何有上限光速?

圖示:液氦的超流體現象,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裡的水,自動從杯子裡流動了杯子外,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。但根據量子力學原理,絕對零度是可望不可即的,因為存在真空能,只要能量大於零,溫度就不可能等於0,說到最後,一切都和能量有關。

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,其質量不會保持不變,而是會變大,隨著速度越來越接近光速,那麼質量也就會越來越大,當速度達到光速時,質量也將達到無限大,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。

溫度為何有下限絕對零度?速度為何有上限光速?

圖示:只有當粒子的運動速度非常非常接近光速時,其質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這麼多,不管這個數字有多大,它都是一個有限的數字,不是一個無限的數字。

那為什麼光子能達到真空光速呢?

因為光子並沒有靜止質量,所以光子在真空中以真空光速時,就不會擁有無限的質量和無限的能量,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量,或者相對論質量,這個質量可以根據愛因斯坦的質能公式進行換算 E = MC^2,根據光子擁有的能量可以得到它的運動質量。

溫度為何有下限絕對零度?速度為何有上限光速?

另外,關於光速還隱藏個一個更深奧但很少有人關心和意識到的一個問題:

為什麼光速(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?

當然這些數字都是在現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字遊戲,那樣做您想得到什麼數字就能得到什麼數字。如果真空光速發生劇烈變化對於我們的宇宙意味著什麼呢?部分物理學家正在思考這個問題。

與此相關的問題是,亙古以來,宇宙中真空光速是否在發生著細微的變化,比如從前的光子比現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,據說黑洞有無限密度,但這導致了一個悖論,物理學家正在修復這個悖論,最終的結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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