為什麼溫度最高能達到1.4億億億億攝氏度,最低只有-273攝氏度?

2020-12-22 探索宇宙說

相信朋友們對溫度這個詞並不陌生,它存在於整個世界,整個宇宙中。我們每天,每時每刻都在跟溫度打交道,它就存在於萬物之中,存在於人體之中,存在於這個宇宙。

在我們上中學的時候,物理老師告訴我們:溫度有高有低,最低的溫度就是絕對零度,約為零下273.15攝氏度,而且這只是一個理論上的下限值,是一個無法達到的最低極限溫度。同時物理老師也告訴我們,溫度是沒有上限的。因此,在很多人的認知裡,溫度是有下限值,而沒有上限值的概念。

可是隨著我們學習的不斷進步,後來我們知道了,溫度也是有理論上限的,它是普朗克溫度,約為1.4億億億億攝氏度。可能很多人被如此巨大的一個數字嚇到了,溫度的最高上限能有如此之高?於是有人產生這樣一個疑問:為什麼溫度最高能達到1.4億億億億攝氏度,而最低只有零下273.15攝氏度?

最低的絕對零度跟最高的普朗克溫度,它們的數字差距太大了。因此,很多人都非常好奇,絕對零度和普朗克科學家是如何計算出來的?要弄明白這兩個極限溫度的計算方法,首先我們要對溫度的本質有一個初步的了解。

在人類沒有走進科技時代之前,我們對溫度的本質完全不知道,那個時候我們只知道,溫度是大自然賦予的,我們能夠感受體會到溫度的高和低,可是卻無法弄明白溫度到底是怎麼回事?

直到人類走進科技時代之後,科學家開始對無處不在的溫度產生了興趣,於是開始探索溫度的奧秘。經過科學家的努力研究,終於弄明白了溫度是什麼?

從宏觀止來講,溫度是用來表徵物體的冷熱程度。而物體之所以會有熱量,是因為組成物質的各種粒子存在熱運動,所以,溫度本質上反映的是微觀粒子的熱運動劇烈程度。

粒子的運動有快有慢,當粒子的熱運動速度越來越慢的時候,物體的溫度也在不斷下降。而粒子運動不可能無限慢下去,它有一個極限值,那就是靜止不動。當粒子的運動完全停止的時候,溫度也就達到了下限,也就是我們所說的絕對零度。

不過,粒子的熱運動不管快慢,它都是永不停歇的,不可能停止下來。所以,絕對零度只是一個理論下限值,在現實中沒有這樣的極限溫度存在,為什麼粒子的熱運動不可能停止?那是因為粒子一旦停止運動,其位置和速度就變成了一個確定的值,這與量子力學中的不確定性原理相矛盾。

雖然絕對零度的數值看似不大,可是當溫度不斷接近這個數值的時候,產生的威力是巨大可怕的。比如,宇宙的背景輻射溫度達零下270攝氏度,已經接近絕對零度。在如此低的溫度環境下,如果我們沒有任何防護的情況下出現在宇宙中,就會很快被凍成冰棍。凍成冰棍還不是最可怕的,更可怕的是只要我們輕輕震、它就會立馬碎成無數的碎片。

以上這種情況,想想都讓人們感到害怕,可見接近絕對零度的溫度是非常可怕的。正是由於這種超低溫的可怕之外,它對於人類也是非常重要的,在未來這種溫度將有非常廣的應用,比如進行人體冷凍,讓一個人進入冬眠狀態,可以活幾百年,幾千年以上。另一個重要的應用就是對人體死亡後的環保處理方式。

既然絕對零度是一個理論值,它的具體數值又是如何計算出來的?根據查理定律,對於任意一種理想氣體,只要體積保持恆定,其壓強和溫度之比為常數。如果測出多組的壓強和溫度參數,就能夠得到一條直線方程。再對該方程進行外推,即可算出絕對零度的大小,具體為-273.15攝氏度。

說完絕對零度,我們再來說下溫度值高到可怕的普朗克溫度。可能有人會說,粒子的熱運動劇烈程度還有上限嗎?它不是可以無限劇烈運動下去嗎?過去人們認為粒子的運動是沒有上限的,所以認為溫度是沒有上限的。

可是根據相對論,物體的速度是有極限存在的,這個極限就是光速。所以組成物體的基本粒子,它們的運動速度也是有極限光速的限制。隨著粒子運動的劇烈程度不斷加速,它最大的值就是無限接近於光速,這個時候粒子的動能就會趨於無窮大。

可能有人看到這裡會說,既然粒子的動能會趨於無窮大,那麼溫度不也能夠趨勢無限高嗎?事實上卻不是如此。當溫度高到一定程度後,引力會強大到與另外基本力統一在一起,任何物質都無法存在,就連夸克等基本粒子也無法存在。所以更高的溫度已經失去了意義。

因此,在溫度失去意義之前的極限溫度就是最高溫度,即普朗克溫度,具體數值為1.4億億億億攝氏度。那麼這個普朗克溫度是否也和絕對零度一樣,只是一個理論上的極限值溫度?當然不是,雖然我們現在的宇宙中已經看不到普朗克溫度,但是在宇宙大爆炸的一瞬間產生的溫度卻達到了1.4億億億億攝氏度。

可能有人會問:如此高的普朗克溫度到底有什麼意義?事實上,超高的溫度產生的價值要遠遠超過超低溫度。因為超高的溫度可以創造物質,相信很多朋友都知道愛因斯坦的質能方程式。

根據質能方程式,我們知道能量和物質之間是可以相互轉化的,可是在我們現實中,我們只看到了物質轉化為能量,而看不到能量轉化物質的情景,這是為什麼呢?

之所以我們看不到能量轉化為物質的情況,主要的原因還是能量值達不到要求,能量要想轉化為物質,需要瞬間的超強能量爆發。而普朗克溫度的意義之所以不凡,是因為它創造了宇宙最初的基本物質。

相信很多人都非常好奇,宇宙最初的物質是如何來的?其實這些最初的宇宙就是來源於能量的轉化,也就是在宇宙大爆炸的瞬間,產生了1.4億億億億的普朗克溫度,這個超級能量轉化為各種基本物質。

因此,超高的溫度能夠創造物質,如果我們能夠研究出無限接近普朗克溫度的超高溫度,就有希望實現能量轉化物質的能力,那個時候的人類文明有可能會成為宇宙中真正強大的超級文明。

當然,想要實現無限接近普朗克溫度的超高溫度,遠遠比實現接近絕對零度的超低溫要難太多了,二者完全不在一個數量級上。當我們了解了普朗克溫度的意義之後,再一次讓我們對宇宙的來歷產生了懷疑。

我們的宇宙到底是自然誕生的還是人為創造的?如果人類在未來能夠實現普朗克溫度,那是否意味著那個時候,我們也能夠掌控萬物,成為創世神,從而創造一個宇宙出來?理論上是有可能的,如果人類有可能在無限的未來做到,那麼宇宙之外的超級文明自然也能夠做到的,我們的宇宙有很大的可能是被創造出來的。

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