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宇宙的双重枷锁?光速与绝对零度,是我们无法逾越的终极规则吗?

两个自带上限属性的极限存在于宇宙中,一个管着最快能达到的速度,一个管着最冷能触及的温度。约299792458米/秒是光速

两个自带上限属性的极限存在于宇宙中,一个管着最快能达到的速度,一个管着最冷能触及的温度。约299792458米/秒是光速,光从地球到月球仅需1.3秒,这般速度快得惊人,-273.15°C是绝对零度,分子运动几乎趋近停滞,这般低温冷到极致。我们宇宙的基本规则,由这两个看似毫无关联的物理量悄悄定下。它们到底是临时答案,我们还没摸到其中门道,还是牢不可破的终极限制?

科学家从没有凭空敲定过光速的极限地位。关键一点是麦克斯韦在19世纪中期整合电磁理论时发现的,通过真空磁导率和真空介电常数这两个基础物理常数,能精确算出真空中电磁波的传播速度。电磁作用本身的固有属性便是光速,而非普通物体运动形成的速度,这一点由此可知。宇宙自带的基本设定包含光速,与声音在空气中的传播速度有固定上限同理。

这个极限因爱因斯坦的狭义相对论变得愈发无可动摇。质量会随着物体速度接近光速而愈发显著增大,趋近于无限多的能量是继续加速所必需的。物理规则的底层逻辑便是如此,有质量的物体,天生没法达到或超过光速,这与技术是否先进无关。

整个物理学界在2011年OPERA实验宣称发现超光速中微子时,都为之震动,实验设备出现系统性误差,这一点最后得到了证实。这个乌龙反而让大家更坚信,光速极限没那么容易突破。技术瓶颈和物理规则容易被很多人混淆,这一点我一直这样认为,前者靠创新能解决,后者却像宇宙的出厂设置,升级设备也没法绕开。

温度的终极底线便是绝对零度。绝对零度无法通过有限次操作达到,这是1906年德国物理学家能斯特提出的热力学第三定律明确指出的。我们平时所说的冷的本质,是分子运动的热闹程度,温度越高,分子运动越剧烈,反之则越平缓。分子完全停止运动,是绝对零度对应的状态,但量子力学不允许这种情况发生。粒子的位置和动量不能同时被精确确定,这是海森堡不确定性原理告诉我们的,哪怕在能量最低的状态,粒子也会保持微小的量子涨落,这就是零点能,分子永远没法彻底静止,全靠它。

万一真的突破了绝对零度,周围的一切会不会变得很奇怪?我们熟悉的物质形态可能会消失,分子不运动了,甚至连时间的流逝都变得难以感知,但量子涨落又会强行打破这种静止。宇宙好像早就想到了这一点,特意留了个后门防止彻底僵化。非常接近绝对零度的温度,人类现在已经能够降到。

0.0000000001开尔文的极低温,是2012年德国马克斯·普朗克研究所用激光冷却技术实现的,比宇宙背景辐射温度低了数千万倍。玻色-爱因斯坦凝聚态会在这种极端条件下由物质呈现,特殊的原子聚合态由大量同步运动的原子形成。新的大门被这种奇特状态为量子计算、精密测量等领域打开。

宇宙的深层逻辑其实也支撑着这两个极限的存在。因果关系的稳定需要光速有限来保证,如果信息能超光速传播,结果先于原因的荒诞场景就可能出现,比如先看到烟花绽放,之后随之看到有人点燃引线,整个世界的逻辑体系都会崩塌。

量子世界的稳定需要绝对零度无法达到来维持,要是所有粒子都停止运动,量子效应会消失,物质的基本结构可能会被破坏,我们所知的生命、星球都没法存在。很多人觉得极限是束缚,但在我看来,它们其实是宇宙的稳定基石,并不是为了限制可能性,是为了让整个系统能稳定运转,演化出这么多复杂的事物才有机会。