从宇宙中最热的地方到最冷的地方

宇宙是一个充满了温度极端的地方。从最初的大爆炸，到未来的热寂，宇宙中的温度变化范围是难以想象的。我们无法亲身体验到这些温度极端，但我们可以通过科学的方法来探索和理解它们。

宇宙中最热的地方

根据大爆炸理论，宇宙是由一个极紧密、极炽热的奇点膨胀到现在的状态。

根据目前的理论，大约在137亿年前，整个可观测宇宙都处于一个极高温、极高密度、极高压力的状态，这就是所谓的大爆炸奇点。在这个奇点中，所有已知物理定律都失效了，我们无法用现有的数学工具来描述这个状态。

描述宇宙膨胀的艺术构想图，其中横坐标表示宇宙演化的时间，而对应的空间尺寸（包括想象中的不可观测部分）都用相应的圆横截面表示。左端表示在暴胀时期发生的急速膨胀（注意不成实际比例），而当宇宙演化到中期时开始加速膨胀。

我们只能推测，在这个奇点中，温度可能达到了10^32开尔文（K），或者说100非亿亿亿摄氏度（℃）。这是一个无法想象的数字，比任何人造或自然产生的温度都要高得多。

当然，我们无法直接观测到大爆炸奇点，也无法回到那个时刻。但我们可以通过观测早期宇宙的遗迹来推断出一些信息。

例如，在大爆炸后不久：

• 当温度降低到10^28 K时，出现了第一批基本粒子：夸克和胶子。当温度降低到10^15 K时，夸克和胶子结合成了质子和中子等强子。
• 当温度降低到10^13 K时，出现了第一批反物质粒子：反质子和反中子等反强子。
• 当温度降低到10^12 K时，强子和反强子之间发生了湮灭反应，并释放出了大量光子和轻子（如电子、正电子、中微子等）。
• 当温度降低到10^9 K时，在轻元素核合成期间形成了氢、氦、锂等原子核。

在今天的实验物理学中，有一种装置可以模拟早期宇宙中部分条件，并产生极高温度：那就是重离子对撞机（RHIC）。在RHIC中，两束重离子（如金或铅）被加速至接近光速，并在一个小区域内相互碰撞。

重离子对撞机的加速器管道

碰撞产生了一个微小而密集而短暂而火辣辣的火球，这个火球被认为是夸克-胶子等离子体（QGP）的一个样本。QGP是一种由自由夸克和胶子组成的物质状态，它是在极高温和极高密度下出现的，类似于大爆炸后微秒级别的宇宙。

从普通强子物质到 QGP 的过渡示意图。在足够高的温度下，会产生夸克对。

在RHIC中，碰撞产生的最高温度达到了4万亿开尔文（K），或者说40亿亿摄氏度（℃）。这比太阳核心的温度高出25万倍，也比超新星爆发时产生的温度高出10倍。

除了RHIC之外，还有另一个重离子对撞机可以产生更高温度：那就是欧洲核子中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）。在LHC中，两束铅离子被加速至光速的99.996%，并在一个小区域内相互碰撞。

大型强子对撞机复合体的布局

在LHC中，碰撞产生的最高温度达到了5.5万亿开尔文（K），或者说55亿亿摄氏度（℃）。这比太阳核心的温度高出约400万倍，也比RHIC中产生的温度高出约40%。

NGC 4526星系中的超新星 1994D

除了重离子对撞机之外，还有一些其他的天然或人造的热源可以产生极高温度。例如：

• 在恒星内部发生核聚变反应时，可以产生数千万到数亿开尔文（K）的温度
• 在恒星死亡时发生核裂变反应时，可以产生数十亿到数百亿开尔文（K）的温度。
• 在黑洞附近形成的吸积盘中，物质被加热到数百亿甚至数万亿开尔文（K）的温度。
• 在伽玛射线暴中，强大的爆发能量可以将物质加热到数千万亿甚至数百万亿开尔文（K）的温度。

那么，宇宙中最冷的地方又在哪里呢？

根据目前的观测，宇宙中最冷的地方是回旋镖星云，这是一个年轻的行星状星云，位于半人马座，距离地球约5000光年。回旋镖星云是由一颗红巨星在其生命末期抛出气体形成的。

哈勃望远镜拍摄的回旋镖星云

回旋镖星云中心的红巨星正在以惊人的速度失去质量，每年约相当于太阳质量的千分之一。这些气体以每秒164公里的速度被抛出，并带走了大量热能。

结果就是形成了一个非常寒冷的空间区域，其温度只有-272摄氏度（℃），比绝对零度（所有温度的最低极限）只高出一摄氏度。这比地球上最冷的地方要冷三倍多，也比宇宙微波背景辐射（大爆炸遗留下来的辐射）要冷一点点。

除了回旋镖星云之外，还有一些其他天然或人造产生的冷源可以达到极低温度。例如：

• 在超流态实验中，科学家可以将液态氦降至接近绝对零度，并使其具有无粘性和无阻力等奇特性。
• 在量子计算机中，科学家可以利用超导材料和超低温制冷技术来实现量子比特和量子逻辑门等元件。
• 在LHC等粒子加速器中，科学家可以利用液态氦来制造超导电磁铁，并将其降至-271摄氏度（℃），这比外层空间还要冷。

宇宙中存在着各种各样的温度极端，它们反映了不同物理过程和物质状态所产生的不同物理过程和物质状态所产生的不同热效应。通过探索这些温度极端，我们可以更好地理解宇宙的起源、演化和结构，以及物质的本质和性质。

同时，我们也可以利用这些温度极端来实现一些新颖的科学技术和应用，如核聚变、量子计算等。宇宙中最热和最冷的地方都是人类知识探索的重要目标，也是人类创造力和想象力的重要源泉。

参考：

1. https://en.wikipedia.org
2. https://www.bnl.gov/rhic/
3. https://bigthink.com/
4. https://www.seeker.com/
5. https://www.space.com/
6. https://www.esa.int/