热力学温标里面,温度的理论下限是“绝对零度”,理论上限叫做“绝对热”(absolute hot),与绝对零度相对应。
在当代物理宇宙学理论下,可能的最高温度是普朗克温度,其值为1.416785(71)×10^32K。
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【有绝对零度(absolute zero),也有绝对热(absolute hot)】
该如何理解普朗克温度?可以从两个方面去理解:
一、宇宙大爆炸之后,经过了普朗克时间(5.39 × 10^−44s)后,宇宙的温度。在小于普朗克时间的尺度里,我们的物理理论失效,虽然那时候宇宙可能更热,但超越我们的认知极限了。
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二、如果一个物体达到普朗克温度,它将发出对应于普朗克长度(1.616255(18)×10^−35 m)波长的黑体辐射。如果温度更高,它将发出比普朗克长度更低波长的黑体辐射,我们缺乏相应的理论,失效again。
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【越高的温度所对应的的黑体辐射波长峰值越小。】
—-华丽分割,以上理论,以下现实—-
普朗克温度只是一个根据量纲分析得来的理论温度,并没有什么现实意义。回归现实,还是要看看我们现实宇宙中的物质能够被加热到什么样的温度。
20世纪60年代,在欧洲核子研究委员会(CERN)工作的哈格多恩提出,在温度超级高的情况下,强子都将“熔化”(melt),所有我们熟悉的由强子组成的物质都将变成一碗“夸克汤”,经过计算,这个温度大约在2×10^12K,因此被称为“哈格多恩温度”。哈格多恩认为,处于哈格多恩温度下的系统可以容纳尽可能多的能量,因为形成的夸克提供了新的自由度,继续增加能量将只会增加熵,而不是温度,因此哈格多恩温度将是一个无法通过的绝对高温。

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【德国物理学家哈格多恩】
也有反对者认为,夸克物质也可以被进一步加热。
这个分歧已经可以用实验来验证了,10^12K温度级别对现代的人类来说,已经不是难事。这种夸克物质已经在欧洲核子研究中心的SPS和LHC,以及美国布鲁克海文国家实验室的RHIC的重离子碰撞中被发现。
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在弦论中,也引入了这个“哈格多恩温度”,它被定义为让宇宙最基本的单元:弦所发生相变所需的温度。这个温度非常高,在10^30K级别,只比普朗克温度少了两个数量级,人类目前只能望尘莫及了。
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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”。
其实,“负温度”的系统比任何正温度的系统都要热。如果负温系统和正温系统接触,热量将从负温系统流向正温系统。这不是矛盾了吗?明明是负,怎么会比正的还热呢?
为了解决这一矛盾,科学家创造出了“冷度”这个物理量,为温度和玻尔兹曼常数乘积的倒数,从而解决了这一矛盾。温度为正的系统,熵值随着能量的增加而增加,温度为负的系统,熵值随着能量的增加而减少。所以,负温度是为了解释一些量子现象而引入的概念,在非量子体系下没有意义。
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如上图,绿色为摄氏温度,红色为华氏温度,蓝色是开氏温度,黑色就是“冷度”,单位为“吉比特/纳焦耳”。这里的开氏温度以绝对零度为0,而以无限温度(可能是普朗克温度)为1,则越过了中间高点以后,再“高”的温度其实是“负温度。”