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宇宙存在绝对高温,如达到或将重启宇宙

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。

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。

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

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。

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

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。

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,

这时系统中可能会产生一些未知的新粒子,或者新的自然法则。那么我们是否可以一直给系统加热,直到到达无限的温度。

然而,这是不可能的,原因有三。

  • 在整个可观测的宇宙中,能量是有限的。

以我们的可观测宇宙中所有的物质、反物质、辐射、中微子、暗物质,甚至是空间本身固有的能量为例,大约有10^80个普通物质粒子,大约有10^89个中微子和反中微子,还有稍多一点的光子,加上暗物质和暗能量的所有能量,它们都分布在一个半径为460亿光年的宇宙中。

但是即使我们把所有的物质都转化成纯能量(通过E = mc^2),即使我们用所有的能量来加热系统,没有丝毫一点损耗,这个能量也是有限的,而这个能量大约对应于10^103开尔文的温度,所以宇宙中有一个能量上限。但是在系统到达这个温度点之前,会发生其他的灾害性事情来阻止我们如此疯狂的举动。

  • 如果我们把大量的能量聚集在有限的空间里,就会创造出一个黑洞!

我们通常认为黑洞是巨大、致密的天体,能够吞噬附近的星际物质、恒星、行星!

但是如果我们给单个量子粒子提供足够的能量,即使这个粒子只是一个以光速运动的无质量粒子,它也会在微小的尺度上变成黑洞!这个能量大约为10^19 GeV,通过E = mc^2,算出来约为22微克。在这个能量下粒子会自发地产生黑洞,并立即衰变为能量更低的热辐射状态。因此,宇宙中的温度上限似乎对应于大约10^32开尔文的温度。

这个温度比之前的极限要低很多,因为不仅宇宙能量是有限的,而且黑洞也是一个限制因素。但是还有一些其他的限制因素,如果我有能力把温度升高到任意的范围,就会发生更加可怕的事情。

  • 在某一高温下,我们将会导致宇宙重新暴胀

早在大爆炸之前,宇宙就处于指数膨胀状态,空间本身就像一个气球一样膨胀,但膨胀速度呈指数级。当暴胀结束时,大爆炸就开始了。

如果我们设法达到了足够的温度,就会使系统恢复到暴胀状态,相当于我们按下宇宙的“重置”按钮,并导致暴胀恢复,大爆炸重新开始。

理论上,宇宙的暴胀是在大约10^ 28-10 ^29 K的温度下发生的,因此无限升高温度是不可能的,因为宇宙只有有限的能量,毕竟它也是从大爆炸中诞生的。

我们平时不说绝对高温,是因为这个温度没有具体的标准,也没有任何意义,因为人类根本达不到这样的温度。即使是地球上最强大的粒子加速器,仍然需要至少1000亿倍的能量才能产生以上特殊的效果。

极地冰川加速融化,

专家:或致数十万年前冻土中病毒复苏

海外网 02-10 11:15

图源:俄罗斯卫星通讯社

海外网2月10日电 近日有科学家表示,随着极地冰川加速融化,数十万年前冻土中存在的古老细菌和病毒或将重现。

据俄罗斯卫星通讯社报道,美国《新闻周刊》(Newsweek)援引一项尚未发表的新调查报告称,全球气温上升使极地冰冠的消融速度越来越快,科学家们警告,这或将导致数十万年前土壤中存在的病毒和细菌从永久冻土层中再度复苏。该研究目前正处在预刊阶段,专家小组尚未审查证实研究结果。

报道指出,今年早些时候,科学家检查了来自中国西藏古里雅冰冠的两个冰芯样本,偶然发现其中有多种病毒存在。其中一个样本的历史可追溯到520年前,而另一个几乎是在约1.5万年前被封锁在冰层之下的。此次被发现的病毒中有4种已知,28种未知。

报道称,虽然冰川融化或将导致病毒重现,但融雪也可能会解密关键的生物“档案”,从而帮助人类更多了解地球以前的气候状况。

当被问及古代病毒是否会对人类构成威胁时,法国埃克斯马赛大学(Aix-Marseille University)基因组学和生物信息学教授克拉维里(Jean-Michel Claverie)说:“可能会。它们可能人类是已知的古代病毒,如天花病毒,我们误认为已经将其根除。过去也可能存在导致动物或人类灭绝的病毒,而现代医学尚未意识到这一点。”

此外,克拉维里的研究认为,病毒可以在不受干扰条件适宜的情况下存活数万年。2014年,他曾在发表过的一篇论文中描述了一种3万年前的“巨型病毒”,这种病毒比标准的20纳米病毒还大10倍。文章中提到该病毒是从西伯利亚永久冻土中被发现,随后在实验室复活,尽管休眠数万年但被证明仍具有传染性。(海外网/魏雪巍 实习编译/彭卫冕)

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