爲什麽速度有上限光速,而溫度有下限絕對零度?

宇宙時空 2024-04-30 16:58:19

簡單說,因爲人類生活的宇宙並不是無限的,而是有限的宇宙。

日常生活經驗告訴我們,任何事物都是有限的,有限的事物可以具體描述出來。同時有限的宇宙裏是不可能出現任何無限的東西,有限的宇宙是具體的,而無限的東西是抽象的,很難直接描述出來。

無限,只屬于數學概念,而數學並不等同于物理和現實。

細心的夥伴肯定早就發現了,任何一個物理屬性,都不可能無窮大或者無窮小,比如說溫度,速度,體積,質量,密度等等物理量都會在一個有限的範圍內。

所以,題目中的問題可以進行拓展,溫度不僅有下限絕對零度,也有上限,這個上限就是普朗克溫度,而且這個溫度只出現過一次,那就是宇宙大爆炸瞬間的溫度,大約10的32次方度,宇宙誕生之後,就再也沒有出現過那麽高的溫度。

理論上講,如果你能創造出普朗克溫度,你就能創造出一個全新宇宙。

下面來具體講講絕對零度和光速的那些事,先說絕對零度。

何爲絕對零度?通俗來講,絕對零度是微觀粒子達到絕對靜止狀態,或者量子力學最低能量點的溫度。溫度其實就是微觀粒子的熱運動,如果微觀粒子的運動停止了,自然也就達到了溫度最低值。

在超低溫世界,會出現很多奇妙現象,比如說初中物理我們都學過的超導現象,還有超流體現象,液態氦能自發地翻越障礙物,從高處流向低處,引力好像失去了作用。

根據量子力學的不確定性,絕對零度是不可能達到的,即便是“一無所有”的真空,仍擁有最基本的能量,也就是“真空零點能”,而只要能量不爲零,溫度就不可能達到絕對零度。

量子力學的不確定性原理強調,微觀粒子的速度和位置具有不確定性,速度的不確定性與位置不確定性的乘積不能爲零,而必須不小于一個常數。這意味著微觀粒子的速度不可能爲零,不然的話就是確定的,違反了不確定性原理。

還有,即便是“一無所有”的真空,其實也並非“什麽都沒有”,那裏會隨機衍生出來正反虛粒子對,這些虛粒子對可以通過賒借能量的方式隨機衍生出來,然後瞬間湮滅歸還能量,只要整個過程時間足夠短,大自然並不反對。這種現象就是“量子漲落”。而虛粒子對本身就是能量。

說完了絕對零度,再來看看光速。光速有上限,因爲宇宙的能量是有限的。

愛因斯坦的狹義相對論告訴我們,任何有靜質量的物體速度都不可能超過光速。隨著物體的速度變大,質量也會跟著增加。如果物體的速度無限接近光速,意味著也會達到無窮大,而質量與能量是等價的,無窮大的質量意味著無窮多的能量,對于有限的宇宙來講,顯然這是不可能的。

同時,讓無窮大質量的物體加速到光速,也需要無窮多的能量才行,整個宇宙的能量都不夠用,很顯然,這也更不可能。科學家們已經計算出了我們宇宙的總能量,大約10的19次方吉電子伏,1吉電子伏等于10億電子伏特。

不過只有當物體的速度非常接近光速時,質增效應才會比較明顯,在我們的低速世界,很難感受到質增效應。

那麽,爲什麽光子的速度能達到光速呢?

原因很簡單,因爲光子沒有靜質量,所以光子可以以光速飛行,也必須以光速飛行。不過由于光子沒有靜質量,意味著它不會擁有無限的質量和能量,不然的話,我們每天被光照射,如果光子有無窮的能量,我們被光子照射的一瞬間就灰飛煙滅了,不僅僅是你和我,整個宇宙都不存在了。

對于光速,很多人有這樣的疑問,爲什麽光在真空的速度是每秒30萬公裏,而不是每秒35萬公裏或者其他速度呢?

首先我們要確認一點,光速不能是無限的,還是那句話,因爲我們的宇宙是有限的。既然光速不能是無限的,我們只需要測量有限的光速就可以了,結果就是每秒30萬公裏。

而30萬這個數字只是根據人類制定的度量標准得出的結果,數字本身並沒有多大的意義,如果度量標准改了,這個數字也會改動,理論上想要什麽數字都可以。

不過在如今的度量標准下,如果光速真的出現哪怕是細微的改變,比如說光子的速度稍微變慢或者變快,對于宇宙來說意味著什麽呢?

很可能意味著我們的宇宙將擁有完全不同的大自然法則,所有的物理定律都將被改寫。因爲現有的物理定律中,很多公式都包含光速這個常數,光速一旦改變,物理定律也肯定會失效。

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