我们来拆解宇宙温度的两个极端,零下273.15℃的低温极限,还有高温极限各自的形成原理。
温度本质上,描述的就是微观粒子热运动的剧烈程度。粒子运动越快,温度越高;运动越微弱,温度就越低。这个简单定义,直接决定了宇宙温度存在上下边界。
先说说低温一端。持续降低温度,理论上会抵达一个临界点:所有粒子完全静止,不再存在任何热运动。这个温度数值就是零下273.15摄氏度,也就是0开尔文,被叫做绝对零度。但有意思的是,绝对零度永远无法真正达到。限制条件不是制冷技术,而是量子力学。海森堡不确定性原理决定粒子不可能完全静止;就算处在绝对零度,系统依旧保留零点能,粒子会维持最低限度的振动。简单来讲,温度可以无限靠近这个数值,但永远无法抵达。热力学第三定律描述的就是这件事:无法通过有限次操作,把物体冷却到绝对零度。

宇宙里最冷的天然地方在哪里?目前发现自然界最低温的天体是半人马座回力棒星云,距离地球大约5000光年。天文学家测量得出它的温度仅有1开尔文,大约零下272摄氏度,仅仅比绝对零度高出1度。这片星云温度极低的原因,是中心一颗濒临死亡的恒星向外喷出气体,气体在太空快速膨胀,膨胀消耗能量从而降温,原理类似打开气瓶阀门,瓶身会变冷。它也是目前已知唯一一个温度低于宇宙微波背景辐射的天体。
不过说到低温,人类实验室可以做到更极致的水平。2003年,一支国际团队利用铯原子制备玻色—爱因斯坦凝聚态,温度降到0.5纳开,也就是十亿分之零点五开尔文。这个低温记录之后不断被刷新,国际空间站的冷原子实验,甚至实现了接近零下273.1499999999摄氏度的低温。当然依旧距离绝对零度有差距,而且永远无法消除这个差距。
再看高温一侧。温度的上限来自粒子运动速度的上限,也就是光速。当粒子热运动能量高到特定程度,继续提升温度就失去物理意义。这个极限温度叫做普朗克温度,大约1.4×10³²开尔文,换算成摄氏度约1.4亿亿亿亿度。这个数值很难想象,但更关键的是它出现的时间:宇宙大爆炸之后约10⁻⁴³秒,也就是普朗克时间。在这个时间点之前,时空本身的概念不成立,引力和另外三种基本力还没有分离,现有的物理理论全部失效。所以普朗克温度不只是一个数字,它代表我们现有物理体系可以描述的宇宙起点。
恒星内部的高温和它对比,差距巨大。太阳核心温度大约1500万开尔文,大质量恒星核心可以达到30亿开尔文,超新星爆发瞬间温度能达到千亿开尔文级别。这些数值看着十分惊人,但对比普朗克温度,还差二十多个数量级。宇宙诞生之后,再也没有任何自然现象能够重新达到这个温度。人类目前制造出的最高温,是大型强子对撞机中铅离子碰撞产生,大约10万亿开尔文,勉强复刻大爆炸百万分之几秒后的环境,但距离普朗克温度依旧非常遥远。
总结来看,温度两端呈现很不对称的状态:低温有明确零点,却永远达不到;高温存在理论上限,只在宇宙诞生瞬间出现,之后再也不会重现。低温极限可以不断靠近,高温极限只存在于遥远的宇宙开端。两个极端中间,才是恒星燃烧、行星冷却、生命演化的温度区间,也就是我们熟悉的世界。