宇宙中最高溫度和最低溫度分別是多少?真的能達到這個溫度嗎?

2020-12-15 鍾銘聊科學

溫度是我們日常生活中接觸最多的物理量了,每天都要根據具體的溫度來進行搭配穿著。那麼問題就來了,在我們這個宇宙當中,最高溫度是多少?最低溫度又是多少呢?

關於「宇宙中最高的溫度是多少?最低溫度是多少度?」這個問題,實際上按照目前的理論已經是有定論的,那這個定論到底是什麼呢?要了解這個問題,我們首先要從「溫度」這個概念入手。

溫度

如果我們從微觀的視角來看理解溫度,溫度的本質就是微觀粒子運動的劇烈程度。那這句話該如何理解呢?

我們都知道,萬物是由粒子構成的。

但是粒子實際上並不是整整齊齊地排列在一起的。而是到處亂串,不規則的運動,我們甚至無法同時描述任何一個粒子的位置和動量情況。曾經有一個科學家叫做布朗,他通過觀察花粉粒子在水中的不規則運動,提出了著名的布朗運動來間接說明分子的不規則運動。

後來,到了1905年,愛因斯坦從數學的角度證明了布朗運動。而分子的運動實際上就和溫度是直接相關的,但是因為無法直接描述每個粒子的情況,科學家就用到了統計學的方法。

具體來說就是,科學家發現粒子「整體」運動得越劇烈,溫度就越高,粒子"整體」運動越不劇烈,溫度就越低。於是,他們用分子的平均動能來描述溫度。當分子的平均動能越大,溫度就越大;當分子的平均動能越小,溫度就越小。

絕對零度

理解了溫度的微觀詮釋,我們很自然就能夠知道宇宙中對應的最低溫度。這個溫度對應該就應該是分子平均動能最低的時候,我們把這個溫度成為絕對零度。絕對零度對應的是零下273.15攝氏度。

不過,根據熱力學第三定律,絕對零度是無法達到的。也就是說,絕對零度是理論值的溫度下限值,我們只能無限趨近於絕對零度,但無法達到絕對零度。那這該如何理解呢?

我們可以舉個例子,如果我們要給一個物體降溫,一般會拿一個比這個溫度低一些的東西進行熱傳遞來平衡,以達到降溫的效果。但是絕對零度已經是最低溫度了,並不存在比絕對零度再低的溫度,但是我們要把溫度降到絕對零度,就必須找一個比絕對零度低的東西來降溫。兩者是相互矛盾的,因此是做不到的。不過,客觀地說,科學家是不信邪的,如今有很多實驗室正在試圖突破這個極限,但截止到目前為止,科學家們只是無限逼近於絕對零度,但還沒有能夠達到絕對零度。

這裡要補充一下,可能很多人會以為絕對零度,所有的粒子都是靜止不動的。這個觀點其實是有問題的,由於微觀粒子是具有不確定性的,我們無法同時搞清楚微觀粒子的位置和動量信息。

如果粒子真的靜止了,那意味著我們可以同時觀測到粒子的位置和動量,那就違背了量子力學的不確定性原理。所以,實際上,絕對零度對應的粒子狀態並不是靜止不動,而是在小範圍內震動的。

最高溫度

最低溫度從「溫度」的定義出發,我們就可以很好地去理解。那最高溫度呢?

要了解這個問題,我們得從宇宙的起源說起。按照目前的主流理論,我們知道宇宙起源於138億年前的一次大爆炸。

關於宇宙大爆炸,如今已經有大量的觀測證據可以證明,而它最堅實的三個證據分別是哈勃觀測到的星系紅移,氦元素豐度以及宇宙微波背景輻射。

宇宙大爆炸後,隨後宇宙的溫度隨著空間的膨脹逐漸下降。宇宙微波背景輻射就是宇宙大爆炸時留下來的餘溫,它是遍布全天的背景輻射,如今我們還可以依靠探測器來觀測到它的存在,它也是天文學家們手裡的秘籍。天文學家從宇宙微波背景輻射中可以獲取到宇宙早期演化的信息。

根據整個事情反推,我們就可以知道宇宙的最高溫度就是宇宙大爆炸之後第一時刻對應的溫度。根據量子力學,時間變化的最小單位是普朗克時間,也就是10^(-44)s。

也就是說,根據目前我們所掌握的物理學定律,宇宙大爆炸的第一時刻是宇宙大爆炸後10^(-44)s,此時宇宙對應的溫度也是宇宙的最高溫度,這個溫度是1.4×10^32開爾文,也就是1.4億億億億度。

總結

宇宙中的最高溫度是1.4×10^32開爾文,而宇宙的最低溫度是絕對零度:零下273.15攝氏度。

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