宇宙探索：绝对高温在哪里？

　　如果问物理学家，温度是什么?他们能给出准确的定义：温度就是粒子运动的速度，粒子运动越快，温度就越高;粒子运动越慢，温度就越低。当粒子完全停止运动时，温度就达到了最低——绝对零度。那么，宇宙中是否存在与绝对零度相对应的最高温度呢?对此，物理学家的意见并不统一。

　　理想的最高温度

　　一些物理学家认为最高的温度是普朗克温度。根据温度的定义，粒子速度越快，温度就越高，那么粒子的最快速度是多少呢?根据相对论“速度越快，质量越大”，除光子以外所有的粒子都达不到光速，只能趋近光速，因此最快的速度就是光速。而在加速的过程中，粒子的质量会趋于无限大，当达到某个临界值时，就会向内坍塌成黑洞。此时，物质被黑洞吞噬，它们自身所具有的物理信息都会被抹去，粒子也不再存在速度，所谓的温度乃至最高温度也就不存在了。按照这个理论，算出的最高温度就是普朗克温度，大约为1.41679×10^32K。

　　宇宙中最高温度计算的另一个竞争者来自弦理论物理学家，他们认为这个温度应为10^32K，比普朗克温度稍微低一点。弦理论物理学家认为宇宙中最基本的东西不是粒子，而是极小的线状“弦”(包括有端点的“开弦”和圈状的“闭弦”)，是弦的不同振动和运动产生出各种不同的基本粒子乃至世间万物。

　　弦理论认为，在宇宙大爆炸的最早期，4种基本力(引力、电磁力、强核力、弱核力)是统一的，此时世界是一片虚无，没有粒子没有弦，也就不存在温度这种说法。当宇宙处在10^32K这样极高的温度时，引力与其他基本力分离开来，随着宇宙进一步胀大和冷却，其它3种力也开始分离。接着，温度继续下降，弦振动产生了自由夸克、轻子和光子，夸克组合成质子和中子，然后组成原子核，现在我们看到的世界万物都是在宇宙温度冷却后才形成的。

　　近年来，又有人提出，在量子热力学中，某些系统可以达到“负温度”。而“负温度”比任何正温度都要热，如果负温系统和正温系统相遇，热量将从负温系统流向正温系统。明明是负温度，怎么会比正温度还热呢?

　　我们都知道，随着温度的升高，原子的能量也升高，原子的运动就会激烈，无序度就会增高。在低温时，高能量原子的数目总是少于低能量原子的数目，所以随着温度的升高，高能量原子数目逐渐增多，原子的混乱度也随之增加。

　　但是，当所有原子的能量无限增大后，会出现一个反常的现象，那就是原子的混乱度会随着温度的继续升高而降低，变无序为有序，这种温度越高、混乱度反而降低的状态就称为负温度。而根据我们的推理过程，负温度的热量和温度都比正温度还要高。也就是说，如果“负温度”真的存在，它会比普朗克温度更高。

　　宇宙的最高温度

　　不过，以上都是理论的最高温度，现实生活中，我们见到过这样高的温度吗?

　　物理理论说宇宙大爆炸早期的温度是最高的，那么当时的温度有多高呢?研究人员可以通过研究从宇宙微波背景(“大爆炸”遗留下来的热辐射)传播到地球的光子来测量宇宙中的温度，当光子传播到宇宙各处时，会吸收所经之处的能量，研究人员可以检测和测量这种变化，并使用它来计算温度。而根据宇宙微波背景的结果计算，宇宙所能达到的最高温度只有10^29K，只有普朗克温度的千分之一。

　　那么人类制造出来的温度有多高呢?人类最早燃起的火堆灰烬在南非的奇迹洞被发现，距今已有100万年历史，这也是智人第一次制造出高温物体，其核心温度可以达到900℃以上，足以将兽骨完全烧熔。如果把易燃物装在通风的炉中，1100℃的焰心温度就超过了铜、锡和铅的熔点。

　　在炉子中燃烧的火焰能达到的最高温度是2000℃，是由焦炭创造的。焦炭是煤提纯后的产物，把煤隔绝空气高温烘烤，脱水、脱气、脱油后就制成了焦炭。焦炭比普通的燃料能进行更完全的氧化反应，产生更多的热量。

　　要在开放环境中获得2500℃以上的高温，我们就需要新的燃料了：氢氧混合气体能产生2570℃以上高温，产生透明到淡蓝色的烈焰;乙炔在氧气中燃烧的温度可达3330℃，足以熔化任何常用的金属;二氰乙炔在氧气中燃烧则达到了化学反应的极限高温——4990℃，常压下足以熔化所有已知物质。

　　与核反应相比，化学反应能产生的温度简直是小巫见大巫。1945年，美军将两颗原子弹分别投放到日本长崎和广岛，产生了100万～500万摄氏度的高温，其热浪将周边的物体在一瞬间燃烧殆尽。原理为核聚变的氢弹产生的温度又比原子弹高得多，1954年，第一颗实战氢弹“Castle Bravo”爆炸成功，中心温度达到3.5亿摄氏度，巨大的蘑菇云在1秒钟之内就冲上了7.2千米的高空。

　　如果能控制核聚变的数量和速率，叠加多个核聚变反应，能产生的温度会更高。为了追求可控核聚变，通过激光脉冲聚焦后产生惯性约束是一个不错的方案。为此，20世纪六七十年代，美国的桑迪亚国家实验室开发出了世界最强大的高频电磁波发生器，它最高可以制造出20亿摄氏度的超级高温，相当于大质量恒星濒死时的核心温度。

　　但这一纪录也已被打破：美国原子能委员会下属的布鲁克黑文国家实验室制造出的自旋极化质子对撞设备，可以将周期表上的任意原子核加速到相对论速度，并且通过对撞，产生大概1万亿摄氏度的高温，也就是天文学中中子星融合时的温度的3倍。

　　如果运用相似的原理，将粒子的速度提高到接近光速的时候再让其相撞，又能产生多高的温度呢?隶属于欧洲核子研究中心的大型强子对撞机，能让2束以接近光速的速度传播的高能粒子流相撞，在这个过程中曾产生10万亿摄氏度的高温。这个温度相当于宇宙模型中，宇宙大爆炸后万分之一秒时的温度，这也是人类迄今制造过的最高温度。

　　可以看到，人类制造出的最高温度与理论的最高温度还有很远的距离，就连宇宙也不曾出现过理论上的最高温度，绝对高温也许只存在于科学理论中。