溫度對於我們人類最直接的表現行為就是衣服的多少,在冬天時我們會穿羽絨服,夏天就會穿短袖。溫度到底是什麼概念?它最低能達到多少?最高有多少呢?知天下奇聞,看小奇科普檔案!今天小奇跟大家聊聊溫度。
在地球上,最寒冷的地方是南極,冬天的溫度能低至零下90攝氏度,脫離地球,在可觀測的宇宙中,最冷的地方是「回力棒星雲」,溫度為零下272攝氏度,被稱為「宇宙冰盒子」。那有沒有比它溫度更低的呢?當然是有的,在科學界中,有一個名詞比它更冷,叫做絕對零度,想要了解絕對零度我們就需要知道溫度的概念。
溫度的本質是物體分子熱運動的劇烈程度,世界萬物都是由一個個粒子組成的,它們時時刻刻都在做著無規律的運動,而且物體的溫度還取決於其內部原子、分子等粒子的動能。而根據麥克斯韋-玻爾茲曼分布可知,粒子的速度越塊,動能越高,物質的溫度也就越高,所以我們很容易的就可以得到絕對零度的概念,那就是當物體分子不做任何運動時,物體的溫度將下降到一個極限值,為零下273.15攝氏度。所以絕對零度是熱力學的最低溫度,是粒子動能低到量子力學最低點時物質的溫度。
按照這種溫標測量溫度,絕對溫度零度是零下273.15攝氏度,是自然界中可能的最低溫度。在絕對零度下,原子的運動完全停止了,那麼就意味著我們能夠精確地測量出粒子的速度為0。然而1890年德國物理學家馬克斯·普朗克引入的了普朗克常數表明這樣一個事實:粒子的速度的不確定性、位置的不確定性的乘積一定不能小於普朗克常數,那麼當粒子處於絕對零度之下,而運動速度為零時,與這個定律相悖,因而我們可以在理論上得出結論,絕對零度是不可以達到的。
那既然存在最低溫度,有沒有最高溫度呢?
其實科學家們通過歐洲大型強子對撞機的粒子對撞實驗可獲得高達10萬億K的溫度,而宇宙大爆炸時的最高溫度可達1.4億億億億K,這也是理論可推測的宇宙最高溫度。所以從意義上來說,在我們的宇宙中,溫度是沒有上限的,但最低值就是絕對零度。
那絕對零度有多可怕呢?
我們上面說了,絕對零度是不可能存在於自然界中,僅僅是一個存在於理論層次的下限值。就如愛因斯坦的相對論預言一樣,任何有質量的物體都無法達到光速。所以我們只能做一個假設。假如人體被瞬間凍到絕對零度,那可以已經說領盒飯了,存活下來的可能性是零。當物體的溫度下降到絕地零度時,分子的運動就會停滯,人體的各項機能都會開始破裂,然後死亡。
上升到宇宙的角度,如果絕對零度發生在宇宙,那麼所有物質的運動都會停止,就像是按下了時間的暫停鍵一樣。物質停止了運動,那時間與空間也就沒有了存在的意義,一切都將陷入永恆的寂靜。不過,絕對零度是無法存在於現實世界,畢竟粒子的運動是相對的,不可能出現安全的靜止狀態。
既然絕對零度那麼強,有不怕絕對零度的嗎?
絕對零度表示一種溫度,在此溫度下,構成物質的所有分子和原子均停止運動。所謂運動,係指所有空間、機械、分子以及振動等運動,還包括某些形式的電子運動。然而它並不包括量子力學概念中的「零點運動」,除非瓦解運動粒子的集聚系統,否則就不能停止這種運動。
這也就引出了一個不怕絕對零度的「真空零點能」。在絕對零度下,任何能量都應消失。可就是在絕對零度下,依然有一種能量存在,這就是真空零點能。真空零點能,因在絕對零度下發現粒子的振動而得名。這是量子真空中所蘊藏著的巨大本底能量。海森堡不確定性原理指出:不可能同時以較高的精確度得知一個粒子的位置和動量。因此,當溫度降到絕對零度時粒子必定仍然在振動;否則,如果粒子完全停下來,那它的動量和位置就可以同時精確的測知,而這是違反測不準原理的。這種粒子在絕對零度時的振動所具有的能量就是零點能。
而目前人類可以達到的最低溫度已經可以無限的接近絕對零度。由德國、美國、奧地利等國科學家組成的一個國際科研小組在實驗室內創造了僅僅比絕對零度高0.5納開爾文的溫度紀錄,而1納開等於十億分之一開爾文,這是人類歷史上首次達到絕對零度以上1納開以內的極端低溫。
值得一提的,低溫也能為人類帶來一條前往未來的時空的道路,那就是「人體冷凍技術」。
當處於零下196攝氏度時,我們的生命活動會被暫停或延緩,這項技術可以使人們跨越時間的緯度,等待在未來的世界被喚醒。而且也可以用於醫學,當遇到現代醫療條件處理不了的問題時,可以選擇把患者冰封到「冬眠艙」裡,等到人類醫療條件可以解決時,在將患者喚醒。不過這是還未實現的技術,在實際的操作中,依舊處在很多問題,比如人體冷凍和細胞冷凍的過程完全不一樣。細胞由於體積微小,冷凍和解凍都可以在瞬間完成從而不影響細胞的結構。但人體組織體積龐大,不論從內而外還是從外而內都有一個漫長的熱傳導過程,在這個過程中會導致細胞大面積死亡。而解凍則更是一個難題,所需的時間更加漫長,在這個過程中幾乎所有細胞都會死亡。
如果這項技術得到了發展,那麼你會參加嗎?歡迎在下方留言評論,喜歡的記得點個關注,我們下期再見!