Question

宇宙最高和最低温度的区别？

Answer 1

最近看了一个很有趣的题目，就是为什么宇宙的最高温度是13亿亿亿摄氏度，最低温度是负273.15摄氏度……摄氏度。当你点击它时，没有任何解释，只有一个叙述，标题就是内容。你不妨自己写一篇文章来解释这个问题。事实上，这个标题本身就很有启发性。我的第一个理解是，最高温度和最低温度到零的距离是如此不同，因为0摄氏度是由人的中线定义的，而开氏温标上没有这样的问题。仔细一想，这样的理解还是草率的。这个题目真正想告诉我们的是为什么人类生活在如此接近温度下限的地方，离绝对零度只有两个数量级，而离上限却如此之远，离普朗克温度32个数量级。我的第二个理解是，由于碳基生命是以有机物为基础的，因此它所维持的温度决定了生命可以生存的温度。温度接近绝对零度。现在，回到主题，在经典力学中，温度的本质是微观粒子运动的强度。现在假设有一堆气体分子，我保持气体分子的总压强不变。如果这组气体分子运动的更剧烈，它就会更热，所以它会占据更多的空间。如果气体运动不那么剧烈，它的温度就会下降，所占空间的体积也会减小。在恒压下，气体的体积和温度呈线性关系。这种关系可以清晰地表示为二维坐标轴。x轴是气体的温度，y轴是气体的体积。实验数据可以追踪。例如，气体体积在0 C时为1m³，50 C时为1.183m³，100 C时为1.366m³，此时三点成一条直线，关系很容易找到。气体的体积是v= (1/273.15) T+1。随着气体变冷体积越小，我们画一条与x轴相交的延伸线，我们可以用这个关系求出这个点是(-273.15,0)这意味着在气温降到零下273.15度之前…在摄氏温度下，气体的体积是零。换句话说，在这个温度下，气体分子消失并停止运动。但是在物理上，分子不可能是静止的，所以它们的体积不可能是零，所以温度不可能是- 273.15 ，所以这个温度永远不会达到零，绝对零度。我们能移除这个空间里所有的分子，所有的原子，而不让任何光进入这个空间吗，这是否意味着这个空间的温度可以达到绝对零度。答案是:不，即使你拿走空间中的所有物质，在真空中仍然会有随机的粒子对和相反的粒子对，这被称为量子涨落。这些粒子在真空中产生并湮灭。能量的量子涨落会反映温度。所以即使没有任何物质的真空也不可能达到绝对零度。正如我在开始时提到的，温度的本质是微观粒子运动的强度。粒子运动越剧烈，温度就越高。如果粒子运动的强度有一个上限，那么温度也有一个上限。我一直在说粒子运动的强度，如果你想精确地测量这种强度，你需要从物理上量化它。在国际单能制中，只有七个基本单位:长度、质量、时间、电流、热力学温度、物质数量和发光强度。如果你必须从这七个基本量中挑选一个来测量粒子运动的强度，你会选哪个?如果你这样想，一个粒子的质量是固定的，单位时间内它移动的距离越长，它移动得越快，它的行为就越剧烈。所以描述粒子运动强度的基本量可以是质量，长度和时间。长度除以时间等于速度v，质量m乘以速度v等于动量。动量可以用来描述粒子运动的强度。粒子的动量越大，温度就越高。动量由质量和速度决定如果引入狭义相对论，粒子的质量由它的速度决定，所以粒子动量的唯一决定因素是它的速度。速度极限是光速，粒子不可能达到光速，所以运动的剧烈程度是有上限的。严格地说，上限是粒子能以黑体辐射的形式辐射成普朗克长度的电磁波，其温度为普朗克温度。更简单地说，粒子运动强度的上限要求粒子达到光速，这是不可能的，但可以把它想象成普朗克长度的辐射光子。光子是一种电磁波，以黑体辐射的形式辐射。所以在这一点，光子的最大能量就是微观粒子运动的最大强度，也就是最大温度。如何计算最大光子能量?通过普朗克公式E=hν可以知道光子的能量和频率是成比例的，只要光子的频率增加，能量就会增加。频率与波长成反比，随着光子频率的增加，波长减小。最短的波长等于空间的最小尺度，也就是普朗克长度。所以当光子的波长减小到普朗克长度时，光子有最大的频率和最大的能量。通过使用普朗克公式E = hc /λ,波长λ是普朗克长度的最小值,我们谈到了普朗克长度在前面的视频,和非常详细的推导过程,如果你不理解,你可以回到之前的视频在普朗克长度的推导过程。光子的能量表示为E=hc / λ，普朗克长度为 (ћ G/c³)。当光子波长是普朗克长度时，我们把它代入，这里普朗克常数h等于2πћ。代入E=2π (ћ c 5 / G)，这是光子的最大能量，在此能量下的温度也是温度的上限，即普朗克温度。由于麦克斯韦和玻尔兹曼的贡献，我们可以推导出能量和温度之间的特定线性关系。能量等于玻耳兹曼常数k乘以温度。所以普朗克温度是能量除以玻尔兹曼常数。结婚结果是2π ћc 5 / Gk²。简化的普朗克常数ћ、光速C、万有引力常数G、玻尔兹曼常数K都是基本物理常数，普朗克温度是自然单位制中的普朗克单位。用人的术语来说，普朗克温度必须由基本物理常数推导而来，任何与基本物理常数无关的无量纲项必须去掉。所以2π要去掉，剩下的是普朗克温度的表达式，它都是常数，你可以查一下，然后算出普朗克温度是1.3168 10 32开尔文。也就是13亿亿亿摄氏度。大爆炸开始于那个无限小的奇点奇点爆炸后的第一个瞬间，宇宙穿过了普朗克长度，所以宇宙可能达到了普朗克温度，但这只是一个猜测!