Question

为什么宇宙最高温度超1亿摄氏度，而最低温度只有-273.15摄氏度？

Answer 1

我们都知道地球生物生存所必需的几个条件，阳光、水、空气、有机物等，这里的阳光主要提供的就是温度。

人体的恒定温度是37摄氏度左右， 和大多数哺乳类动物以及鸟类一样属于恒温动物 ，超过或者低于这个温度，身体机能就会出现问题，危及生命。

根据人类现有的宇宙探测经验，发现只有地球能够为生物提供这样温度适宜的生存环境， 而许多太阳系的行星在一天之内的温度变化区间可以达到几百摄氏度 ，完全不可能出现生命体。

近年来，除了行星的温度变化区间，科学家还在观测的基础上推算出了宇宙的温度变化区间，这个区间的数值跨度当然是超乎想象的大，不过比较奇怪的是，它的高温与低温分布却极其不均衡， 最高温度超过1亿摄氏度的同时，最低温度却只有-273.15摄氏度 ，这是什么原因呢？

在回答这个问题之前，我们首先要弄清楚，温度是怎么产生的呢？回忆一下冬天的时候，如果你觉得手冻得不行了，会做什么呢？大多数人会下意识地摩擦两只手，这样就会感到暖和了，其实这就可以窥探微观上温度产生的原理。

物体中的分子热运动的剧烈程度直接决定了热量的高低，所以当分子热运动越剧烈，产生的热量也就越多。

这样一来，要找到宇宙的最高温度就简单了，只需要找到宇宙当中运动速度最快的物质即可，那这种物质是什么呢？我们的第一反应当然是光， 光是目前科学家所能探测到的运动速度最快的物质 ，所以只要以光速作为计算基数就可以得到我们想要的宇宙的最高温度了。

不过关于宇宙起源的大爆炸理论中认为， 宇宙膨胀的速度要远远大于光速 ，这个速度值发生在爆炸开始的瞬间，物质与能量分子在一个极为短暂的时间段里完成了从最中心到宇宙边缘的运动。

这个时间也就是常说的普朗克时间， 它的数值大概是10的负43次秒 ，按照这个数字和爆炸初期的宇宙大小来计算，可以推出那一瞬间的温度值，大概是1.416833 10^32摄氏度，这个温度也被命名为普朗克温度。

根据分子运动与热量之间的关系，宇宙最低温度的推算也很简单，虽然分子运动的速度没有上限，但它的下限很容易确定，也就是静止时的速度。在物质和能量分子完全静止的状态下， 我们就可以找到宇宙的最低温度 ，通过公式计算得出这个数值，就是-273.15 。

在我们的想象中，完全静止的状态随处可见，因此要观测到这个温度应该也不是一件难事，但事实真的是这样吗？你家里的书桌看上去是静止的吧，但为什么有时候还没有你的手凉呢？即使是在寒冷的冬天，湖水已经完全冻成了冰块，一动不动，它的温度值也不会低于零下十几二十度，这又是为什么呢？

根据已有的资料，-273.15 这个数值还没有被观测到过，人类能够实际捕捉到的最低温度只有-272 ，这是因为那个假设中的绝对静止状态其实是不存在的。

对于不断膨胀的宇宙来说， 静止是一个相对概念 ，所有的物质能量都只能在某一特定的参考系中被界定为静止，而这个参考系相对于真实的宇宙而言并不具有实际意义。

1995年，智利瑞典的ESO次微米波望远镜首次观测到了宇宙最低温度， -272 的数值被探测到的位置是在一片叫作回力棒星云的天体中 ，这个距离地球约5000光年的星云并不是一个原生的天体，而是恒心内部散逸出的气体聚集形成的，这些气体的散逸速度被推算为接近164公里/秒。

奇怪的是，按照天体形成的规律， 这些气体进入到太空之后速度进一步提升 ，并发生了膨胀运动，那么为什么这里没有产生高温，却反而成了宇宙最低温度的所在地呢？

原因是，回力棒星云所经历的膨胀过程，是被称为绝热膨胀的一种特殊运动，这区别于一般的膨胀运动，在发生绝热膨胀的情况下，气体会持续地对外部空间的物质和能量做功，但却不会产生热量交换，也就是说回力棒星云的膨胀只是在单向地朝外部空间散逸能量，直到失去全部动能，进入趋近静止的状态，从而形成低温。

看似极为不合理的高低温区间分布，实际上背后是有着非常严密的科学依据的，同时我们又要注意到理论数据与实际科学观测之间的区别。

我们永远无法观测到-273.15 这个数值，当然也无法观测到所谓的最高温度，因为速度的上限就像实数的上限一样是无法穷尽的，这片浩瀚的宇宙很可能还隐藏着更多超乎人类认知的东西，或许这也是宇宙科学能够激发人类无限遐想的原因吧。