为什么高温没有上限,而低温却有一个绝对零度在限制?

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在中国古代有一个对于“宇宙”的定义: 上下四方曰宇,往古来今曰宙 。翻译过来就是宇宙的“宇”代表的是空间,宇宙的“宙”代表的是时间。也就是说,宇宙是时间和空间的集合。现代科学中对于宇宙的定义其实和古代中国学者的定义是很接近了,具体来说就是: 宇宙是所有时间、空间与其包含的内容物所构成的统一体

所以,当我们要了解这个宇宙的最高温和最低温时,我们就需要从整个宇宙尺度来看。在整个尺度下 ,宇宙是存在着最高温和最低温度的,其中最高温是1.4*10^32K(1.4亿亿亿亿K,K是温度的单位卡尔文),最低温度是绝对零度0K,也就是零下273.15℃。

首先,我们想说说这个最高温度到底是咋回事?

宇宙大爆炸第一瞬间的温度

关于宇宙起源和演化的理论被称为 标准宇宙模型 ,如今也被叫做Λ-DCM模型,其中Λ代表暗能量,DCM代表冷暗物质,这个模型的基础是 宇宙大爆炸模型 。按照这个理论,我们知道,宇宙起源于138.2亿年前的一场大爆炸。关于这场大爆炸,我们如今所掌握的关键证据一共有三点:

大爆炸起始于一个奇点,如今的物理学无法描述这个奇点。我们只知道,从大爆炸之后,宇宙空间开始剧烈的膨胀,在极其短的时间内,膨胀到了原来的10^30倍。

不仅如此,宇宙大爆炸最早的温度也是我们所处的这个宇宙的最高温度,随着宇宙空间的剧烈膨胀,温度开始剧烈下降。在我们如今的认知中,时间变化的最小单位是普朗克时间(5.39^-44s)。

宇宙大爆炸的第一瞬间的温度就是宇宙大爆炸后普朗克时间(5.39^-44s)对应的温度,这个温度也被称为 普朗克温度。 我们可以通过理论计算得到这个温度的数值,也就是 1.4*10^32K(1.4亿亿亿亿卡尔文),这就是宇宙的最高温度。

这个最高温度来自于炙热的奇点大爆炸,随着大爆炸的进行,温度一直在下降,到如今这个温度已经很低很低,接近于绝对零度,我们目前还可以利用探测器探测到这个余温,大概是2.7K,仅仅比绝对零度高2.7度,是遍布全天的背景辐射,于是也被叫做 宇宙微波背景辐射

了解了宇宙中的最高温度,那宇宙的最低温度绝对零度又是咋来的呢?

绝对零度

要了解绝对零度,我们就首先需要先了解一下: 温度 。我们可以先从微观的角度来理解温度。我们都知道万物都是由粒子构成的,比如:分子,原子,电子等等。这些粒子实际上不是一动不动的,相反,它们时时刻刻在动。

科学家就发现,我们无法一个个去描述这些粒子,只能用统计学的方法,描述整体的情况。当这些粒子整体运动得更加剧烈,那温度就会升高,反之,当这些粒子整体运动得不那么剧烈,那温度就会降低。

于是,从微观角度来看,我们就会发现,用粒子的平均动能就可以来描述温度的情况。因此, 温度的本质实际上是粒子热运动的剧烈程度

了解的微观尺度下温度的定义,我们就不难发现,但粒子的平均动能接近于最小值时,那么对应的温度就应该是最低温度。于是,科学家通过理论计算,其实就可以得到在粒子平均动能最小时,对应的温度是零下273.15度。

这里要强调一下,很多人会认为,这个绝对零度对应的不就是粒子都不动时的温度吗?粒子都不动,平均动能不也就为0了吗?

答案其实是否定的,绝对零度时,粒子实际上也还在动 。按照热力学定律,绝对零度是无法触达的,所以我们测不到绝对零度,只能通过理论得到。而在量子力学中存在着一个基石理论叫做 不确定性原理 ,也有的人把这个理论翻译是叫做 测不准原理 。这是物理学家海森堡提出来的,他发现,粒子的两个参数,动量和位置是没有办法同时测准的。测准了动量,位置就不准了;测准了位置,动量就没法测准了。

说白了,我们根本没有办法同时知道粒子的速度和位置,这是由粒子本身的属性所决定。如果粒子静止不动,那我们就可以同时知道它的位置和速度,这是违反量子力学的理论的。因此,实际上,绝对零度时,粒子其实还是在小范围内振动的,而不是完全不动了。

先来看看我们所能理解的温度变化吧。

-273.15℃ 绝对零度,是温度的极限。目前,我们可以制造距绝对零度只差三千万分之一度的低温,但仍不可能得到绝对零度。

-264°C 铌钛合金的超导临界温度,这个温度下呈现超导抗磁的特性。

-240℃ 冥王星的最低温度

-120℃ 月球表面温度最低值

-117℃ 酒精的凝固温度,所以酒精的温度计可以在极地使用,而水银温度计不可以。

-90℃ 地球最低温 、大气最低气温

-70℃ 北极最低气温

-50℃ 雪莲,世界上最不怕冷的花,即使-50℃,也鲜花盛开。

42℃ 人体温度极限

100℃ 开水

700℃ 烟头、蚊香的温度

1534℃ 高炉铁水

3410℃ 钨的熔点

熔点最高的物质是铪合金(Ta4HfC5),熔点高达4215℃

地心温度约为6000℃

太阳中心温度约为2000万℃。

5亿℃ 普林斯顿等离子物理实验室中的托卡马克核聚变反应堆利用氘和氚的等离子混合体于1994年5月27日创造出来的

4万亿℃ 美国能源部布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory)用巨型粒子对撞机对撞金元素离子,制造出了“超级大爆炸”。制造出了有史以来实验室中的最高温度———4万亿摄氏度。

从-273.15℃到4000000000000℃,看似温度没有上限,这不过是我们的错觉罢了。其实温度同样是有上限的。根据黑体辐射理论,只要有温度就会辐射出特定的电磁波,其中的波长与温度直接相关,温度越高,波长也就越短。由量子理论可知波长的最短空间长度为“普朗克长度”,用这样的方法反推出最高的温度也就是普朗克温度,数值为1.41 x 10^32 K。

温度下限,大家已经很好理解了。温度是物质内部振动强度的表征,振动的越剧烈温度越高,而完全静止不运动便是温度的下限了。所以理论上算得如果物体中的原子、分子完全不动,便是零下273.15度。

如果觉得这些理论晦涩难懂,给大家来个通俗易懂的。

我们生活的宇宙是137亿年前,由一个极度致密炽热的奇点爆炸产生的。爆炸的原点温度便是1.41 x 10^32 K!这是宇宙曾经有过的最高的温度,如同一个炮竹,爆炸之后便开始膨胀,温度也开始下降。

所以,在我们可以观测的所有时空之中,都无法超越这个温度。那一刻,宇宙的所有能量聚于一点。

这个问题本身是有问题的,因为高温并非没有限制,在现有的理论之下,最高温度为普朗克温度。这个温度是如何计算出来的呢?这得从黑体辐射理论讲起。黑体辐射理论认为,任何有温度的物体都会辐射电磁波,电磁波的波长与温度有关系,温度越高,波长越短。而空间长度是有下限的,被称为“普朗克长度”,经典量子力学以为比普朗克长度更短的长度没有意义。以此普朗克长度换算过去,得到的温度就是普朗克温度,数值为1.41 x 10^32 K。

最低温之所以有限制,是因为温度的本质表征的是原子、分子的振动强度,振动的越快,温度越高;振动的越慢,温度越低。而这种振动的快慢是有下限的,即完全不振动。若是一个物体内部的原子、分子全部静止不动,那么此刻它的温度就是最低的,称为“绝对零度”,即开尔文温标的0K,对应的摄氏度为零下273.15度。不过绝对零度只是一个理论极限值,无法达到。

说到这里,我想起了如今有一项很前沿的技术,叫做“激光制冷”。一般情况下,激光只能用于加热,因为电磁波将能量传递给物体,引起物体内能的增加。但由于温度与原子振动存在直接关系,激光也可以对原子施加一个反向的作用力,将原子分子的振动幅度大大减小,从而实现将其降温的目的。目前的低温极限大多是用这种方法实现的,已经非常接近绝对零度了。

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