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強子對撞機 10萬億度的高溫如何測量出來？什么材料能夠承受住？



強子對撞機 10萬億度的高溫如何測量出來？什么材料能夠承受住？
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宇宙中，只要有物質和能量，就有溫度的概念。因為溫度反映的是粒子的平均動能，或者說粒子的熱運動劇烈程度。對于空無一物的絕對真空而言，談論溫度是沒有意義的。不過，宇宙中并沒有絕對意義上的真空。量子力學表明，真空并不是空的，有時會隨機出現一對虛粒子，它們會互相湮滅瞬間消失。除了量子漲落之外，宇宙空間中還分布著各種粒子，甚至還有神秘的暗物質粒子。據估計，平均每立方米的宇宙空間中，分布著大約6個質子，所以太空還是非常空曠的。


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除了物質之外，太空中還有能量，這就是遍布宇宙的微波背景輻射，它們是宇宙中最早產生的一批光子。宇宙經過38萬年的膨脹之后，空間變得足夠空曠，溫度降到足夠低，自由光子第一次出現在宇宙中。在過去的138億年里，它們一直在宇宙中行進。宇宙最早的光子充滿了空間，即便恒星的溫度非常高，但空間極為廣袤，太空的溫度是由宇宙微波背景輻射決定的。通過測量，整個宇宙的平均溫度只有零下270.42攝氏度。


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當然，宇宙中也可以產生極高溫度的天體。中低質量恒星坍縮形成白矮星后，其表面溫度可達10萬度。兩顆中子星在引力的作用下發生碰撞時，將會產生3500億度的高溫。大質量恒星的核心坍縮成中子星后，中子星的核心溫度最高可以達到1萬億度。不過，人類在實驗中能夠制造出更高的溫度，可以達到10萬億度。那么，如此高的溫度是如何制造出來的？這么高的溫度是怎么測出來的？什么樣的材料可以承受這樣的極端溫度？

【 強子對撞機|10萬億度的高溫如何測量出來？什么材料能夠承受住？】
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無論是核彈爆炸，還是可控核聚變，都無法產生這樣的高溫。只有在粒子加速器中，才會出現極端的溫度。粒子的質量很小，它們可以被粒子加速器加速到足夠接近光速。當以亞光速運動的粒子之間發生碰撞時，可以瞬間產生極高的溫度。10萬億度的高溫正是產生自當今能級最高的粒子加速器——大型強子對撞機（LHC）。在大型強子對撞機中，亞光速的質子與重原子核發生劇烈碰撞，可以產生10萬億度的高溫。這種極端的溫度會讓原子核分解成“夸克湯”，也就是夸克-膠子等離子體，其密度也是非常極端，高達每立方厘米400億噸。


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這么高的溫度肯定不是拿溫度計去測量的，因為根本沒有這么大量程的溫度計。如上所述，粒子的平均動能與溫度有關，兩者可以建立起數學上的關系。通過測量粒子的平均動能，就能算出對應的溫度。雖然10萬億度的溫度非常高，但只是瞬間達到，很快就冷卻下去。最為關鍵的是，溫度高不代表熱量大。只要粒子的動能足夠大，其溫度可以非常高。但如果空間中的粒子密度很低，熱量就會很少。這就如同我們的手可以承受住高溫爐子旁邊的熱空氣，但無法忍受把手伸進同樣溫度的熱水中。


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在產生10萬億度高溫時，粒子加速器中的熱量并不高，不需要能夠耐10萬億度高溫的材料。當然，實際也沒有這樣的材料，已知最耐熱材料的熔點還不到5000度。

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