我们普遍认知,光速是宇宙中速度的极限,而绝对零度则是理论上可能达到的最低温度。然而,为何速度和温度等物理量不能无限大呢?宇宙为何要对速度和温度设限呢?

简言之,我们所生活的这个宇宙本身是有限的,一个有限的宇宙自然无法产生无限的物理量。

事实上,在我们的宇宙里,任何物理量都不可能无限大,比如密度、体积、质量等都是有限值。

众所周知,温度的下限是绝对零度,但鲜为人知的是,温度其实也有上限,那就是普朗克温度。

普朗克温度是指宇宙大爆炸发生一个普朗克时间的温度,这个温度极其高,大约为10的32次方摄氏度。而普朗克时间是有意义的最小时间单位,只有10的负43次方秒。你可能会认为存在比普朗克时间更短的时间,从而温度会更高,但实际上,这种观点是没有意义的,因为普朗克时间是最小的时间单位,不存在比它更小的时间!

简单来说,宇宙大爆炸发生一个普朗克时间的温度,也就是普朗克温度,在宇宙中只出现过一次。如果你能再次创造这个温度,就能创造一个全新的宇宙。

那么,为什么我们不能创造出比绝对零度更低的温度呢?

绝对零度,理论上是所有微观粒子完全静止时的温度。我们知道温度的本质是微观粒子的运动程度,所以如果所有的微观粒子都停止运动了,温度就达到了最低,即绝对零度。

但是微观粒子能否完全静止呢?实际上不能。我们不能以宏观世界的视角来衡量微观世界的运动,根据量子力学的解释,任何微观粒子的速度和位置都是不确定的,其位置的不确定性与速度的不确定性的乘积必须不小于一个常数。

这意味着微观粒子的速度不能为零,否则速度的不确定性就是零,这显然违反了量子力学的不确定性原理。

因此,绝对零度只是理论上可能达到的最低温度,人类无法实际创造出这个条件。我们通常所说的真空状态,也达不到绝对零度,因为真空并非“空无一物”,而是具有“真空能”,只要有能量存在,温度就无法降至绝对零度。

讨论完绝对零度后,让我们转向速度的问题:为何速度有光速这个上限?或者说,为何光速不是无限大?

简单来说,光速之所以不是无限大,是因为受限于我们的四维时空结构,也就是说,光速实际上是四维时空的内在性质,仅与时空的磁导率和介电常数有关,这一点早已被麦克斯韦方程组所证明。

换句话说,光速并不仅指光的速度,而是四维时空的最高速度,是四维时空的固有属性。这意味着一旦超越我们的四维时空,你可以随意超越光速,但在四维时空内,你必须受到光速的限制。

从另一种思维方式来看,这也是人择原理的一种体现。光速为何成为宇宙的最高速度,因为如果没有光速的限制,光速可以任意大小,那么我们的宇宙很可能就不会形成,即便形成了,也会以完全不同的形态出现,不可能诞生生命,更不会有人类的出现,当然也就不会有人提出这个问题。

那么,为何万物的速度都不能超过光速呢?

爱因斯坦的狭义相对论已经为我们提供了答案。任何具有静质量的物体都无法超越光速。随着物体速度的增加,其质量也会增大,当物体的速度接近光速时,质量将变得无穷大,意味着该物体拥有无穷的能量。

在我们宇宙的规则下,这是不允许发生的。根据宇宙大爆炸理论的解释,我们宇宙的总能量约为10的19次方吉电子伏,尽管这个数字很大,但仍然是有限的。有限的宇宙能量不可能支撑具有无穷多能量的物体。

那么,为何光子能够以光速飞行而不会拥有无穷多的能量呢?

这是因为光子没有静质量,意味着尽管光子始终以光速飞行,它并不会拥有无穷多的能量和质量。否则的话,如果光子拥有无穷的能量,任何被光子照射的物体都将瞬间消失,整个宇宙也将不复存在。

虽然光子没有静质量,但它有动质量,这个质量可以通过爱因斯坦的质能公式计算得出,一个光子的动质量大约为10的负37次方千克,极其微小。

最后提一点,诡异的黑洞中心的奇点曾被认为是体积无限小、密度无限大的存在,这不就与“宇宙不允许出现无限的物理量”这一说法矛盾了吗?

实际上并非如此。人类现有的物理定律无法完全解释黑洞的奇点现象,对奇点的描绘更多是基于推测。退一步讲,即使黑洞奇点的密度真的无限大、体积无限小,也并不奇怪,因为在许多物理学家看来,黑洞奇点很可能并不属于我们这个宇宙的一部分。

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