人造最高溫度已經達到5.5萬億度,為何造不出-273.15度的低溫呢?

2020-12-22 科學新視界

在今年4月2號的時候,位於安微合肥的「東方超環」可控核聚變實驗裝置一點也不受疫情的影響,首次實現了「1億攝氏度下,穩定運行10秒」的運行目標。這一成就意味著我們中國人,也意味著我們人類文明距成功掌握可控核聚變技術又近了一小步。

這裡我們會看到一個驚人的數字「1億攝氏度」,我們人類竟然能夠製造這麼高的溫度。但是你知道嗎,我們人類所製造出的最高溫度可遠遠不止1億攝氏度。根據科學界的新聞,我們人類所製造出的最高溫度,是2012年時由高能物理學家利用粒子加速器製造出來的,達到了驚人的5.5萬億攝氏度。

為什麼高能粒子加速器內會誕生這麼高的溫度呢?為什麼加速器內可以承受這麼高的溫度?人類已知的熔點最高的物質鉿合金(Ta4HfC5)的熔點也才僅僅4215℃啊,如此高的溫度究竟是如何存在於地球的?

想要知道這些,我們需要複習一下物理學中對於溫度的定義:溫度是微觀粒子運動的宏觀表現。所以說,我們感受到的並不是溫度,而是熱量。一般來說,粒子的動能越大,其表現出的溫度就越高。正是因為如此,在粒子加速器中才會允許出現單個的粒子達到5.5萬億攝氏度的高溫。而在只有一個粒子的情況下,溫度雖然高,但是產生的熱量非常少,所以5.5萬億攝氏度這樣的高溫才能夠存在於粒子加速器內部,不對宏觀世界造成危害。

相比於在創造高溫的方向上的大步向前,人類創造低溫的能力看上去就有點舉步維艱了。為什麼我們創造低溫的能力不行呢?因為在我們的宇宙中,物理規則規定了這個宇宙的最低溫不能夠低於-273.15攝氏度,這就是我們所熟知的絕對零度。

光從數字上看,高溫5.5萬億攝氏度和低溫-273.15攝氏度看上去好像相差很遠,5.5萬億看上去好像更難,更不容易,但在物理學中其實恰好相反。絕對零度就像是光速一樣,就算在理論上,我們都只能做到無限接近。

是的,絕對零度只能無限接近而始終不能達到,那麼為什麼數字看上去如此普通的-273.15攝氏度我們人類就是無法達到呢?這其中有著怎樣的物理限制?這個問題涉及到了溫度的本質。

前面我們說過,溫度是微觀粒子運動的宏觀表現,簡單來說就是只有粒子運動才會產生溫度。因此只要有粒子在運動,就會有溫度產生,只有當粒子處於靜止狀態時,才能夠達到絕對零度。但是量子力學基礎告訴我們,粒子是不可能處於靜止狀態的,這違反了測不準原理(也叫不確定性原理)。

測不準原理告訴我們,我們無法同時精確測得一個粒子的空間位置和速度,當速度測得越準的時候,空間位置就越測不準;當空間位置測得越準的時候,速度就越測不準。因此,科學家們只能用概率來描述粒子的運動。

宏觀世界都是由物質構成的,而物質的微觀組成又是原子,原子又是由電子和原子核組成。我們無法定位電子,我們中學學到的電子云就是這麼回事,這意味著電子會無休止的運動下去,於是就產生熱量了,儘管產生的熱量可能非常低,但這也確實導致了絕對零度的不可到達。

為了儘可能的製造低溫,物理學家們在實驗室裡利用雷射製冷技術,創造過0.5納K(開始溫度,開爾文)的低溫,僅僅比絕對能零度高20億分之一K,儘管距離絕對零度如此之近,但科學家們依舊是沒能達到絕對零度。正所謂一線之隔,天壤之別說的就是這種情況了。其實在做實驗的時候,物理學就已經知道,他們是不可能達到絕對零度的。就和他們知道存在靜止質量的物體是永遠也無法達到光速的。

其實在量子力學禁止人類達到絕對零度的同時,相對論也在禁止人類創造出「最高溫度」。如果說絕對零度意味著粒子的絕對靜止,那麼最高溫度就是粒子運動速度的上限,當粒子的速度達到光速的時候,就是理論上的最高溫度了。

但是除了光子沒有靜止質量外,組成宏觀世界的粒子都是有靜止質量的,所以它們都不能達到光速,所以對於最高溫度的描述就是粒子速度無限接近光速。當然,也有說法認為宇宙溫度是有上限的,那就是宇宙大爆炸瞬間的溫度1.4億億億億攝氏度,至於到底哪個是對的,也許我們永遠也不知道。

相關焦點

  • 為什麼宇宙間溫度高可達上億度,而低溫最低只有-273.15度?
    記得是去年,看到一則新聞,說中國人造太陽的溫度已經超過太陽溫度的五倍,我當時覺得自豪但也好奇,溫度都已經可以人為的提高這麼大,那麼人造低溫也應該低至負的幾千萬度吧,直到我網上查了一下後,大吃一驚。人類目前能夠認為製造的低溫只能接近-273.15度,同時也表示,自然界最低溫度(下限)也就是-273.15度。為什麼會這樣呢,首先,我們得弄清楚什麼是溫度。初中物理書上給出的溫度定義是:物體的冷熱程度。這其實這只是更好地理解什麼是溫度,但這樣解釋並不具體。準確的來說,溫度應該是物體分子熱運動的劇烈程度。
  • 低溫只能達到-273,而高溫可以達到上億度!是什麼導致的?
    低溫只能達到-273.15,而高溫可以達到上億億度!是什麼導致的?這個問題不難理解,不用太過深奧複雜的數學方程就能明白。首先我們要弄清楚溫度是什麼,簡單說就是微觀粒子的運動劇烈程度,運動越劇烈,溫度就越高。
  • 從絕對0度到40000億度,人類對溫度的探索歷程
    從此不但極大的帶動了熱力學的發展,而且也為我們溫度的探索上建立了一個堅實的支點。絕對零度是如何定義的絕對零度是由開爾文勳爵提出的熱力學的最低溫度,是粒子動能低到量子力學最低點時物質的溫度,等於攝氏溫標零下273.15度(-273.15℃)。但是絕對零度是僅存於理論的下限值,並不能真正達到。
  • 絕對零度是零下273.15度,那宇宙中的最高溫度是多少?
    很多人都知道,在熱力學理論之下最低的溫度是零下273.15攝氏度,也就是我們所說的絕對零度。當物質達到這一溫度,連原子都會凍結。那與此對應的宇宙中最高的溫度又是多少,當達到最高溫度上限時又會出現怎樣無法用常理解釋的事情呢?
  • 5.5萬億攝氏度的溫度是什麼樣的概念?人類能實現這樣的溫度嗎?
    2020年不知不覺已經走到了五有中旬,很快就要進入六月了。每年等到時節到了六月之後,人類就要迎來一年之中最難熬的一段時間,因為這個時候地球的溫度達到了全年最高,是一個非常熱的季節。根據近年來全球氣溫的不斷提升,到了高溫季的時候,普通的溫度都在40攝氏度以上,少數地區達到了50多攝氏度。
  • 既然沒有超長溫度計,科學家如何測量出宇宙深空最高和最低溫度?
    我們中國通行攝氏溫標,攝氏度℃溫標與K對應為,-273.15℃=0 K,0℃=273.15K。在攝氏度0℃以上時,如果以熱力學溫標計數,只要減掉273.15度,就是攝氏度。而在宇宙很高溫度下,比如萬度乃至億度時,這種差別完全可以忽略不計,因為宇宙測得的極高溫度本身也是有誤差的,而且不止幾百度誤差。
  • 宇宙最高溫度是多少?為何最低溫卻只有-273度?
    我們也很容易發現,2.7K其實已經很接近絕對零度的,絕對零度在開氏溫標下是0K,換算一下我們常用的溫標,也就是-273.15℃。最低溫度是咋來的?既然沒有最高溫度,那為什麼會有最低溫度呢?研究「熱運動」的是熱力學,而熱力學也有幾大定律,其中熱力學第三定律是這麼說的:不可能通過有限過程,系統冷卻到絕對零度。其實就是在說絕對零度不能達到的,所以宇宙中的最低溫度應該就是絕對零度。可能你要問這到底憑啥呀?
  • 為什麼宇宙最低溫度是-273度左右?為什麼不是-300度?
    其實宇宙中的最低溫度被我們叫做絕對零度,這個絕對零度的數值是:-273.15℃。可能你要問了,為什麼不是零下300度,或者其他的一些數值,非得是精確的-273.15℃?熱力學這裡就涉及到熱和溫度的概念了。
  • 據說宇宙最低溫是零下273.15度,那麼零下274度會是什麼樣子呢?
    零下273.15攝氏度是絕對最低溫度,根據熱力學原理,不可能會出現比絕對零度再低的溫度。在熱力學上,人們把溫度作為衡量組成物體微觀粒子平均動能的一種宏觀標量,在宏觀上反映的是物體冷熱程度,在微觀上反映粒子熱運動的劇烈程度。
  • 絕對零度是-273.15℃,為啥沒有最高溫度定義呢?
    高中的物理課本裡存在一個概念:絕對零度,就是-273.15℃。絕對零度是人類公認的最低溫度,據說絕對零度是無法出現在宇宙中的。世間存在的東西總是相對的,既然有人定義了絕對零度,那是不是也該存在絕對高溫?事實上,截至目前為止,還沒有人提出過絕對高溫或者是最高溫的概念。
  • 溫度能降到零下一千度嗎?如果人在這種低溫中會怎樣?
    這個如果不會成立,因為零下一千度是不可能達到,不管是攝氏溫標還是華氏溫標都到不了-1000度。原因在於溫度有一個下限,約為零下273.15攝氏度。微觀粒子始終會存在熱運動,它們具有動能和勢能(統稱內能),這是物體會有溫度的根本原因。
  • 為什麼高溫無限而低溫最低是-273.15℃?
    熱力學溫標又稱開爾文溫標、絕對溫標,簡稱開氏溫標,是國際單位制中的溫度單位,K氏溫標用符號T表示,K表示其單位。我們平時所說的絕對零度指的就是指熱力學溫標——0K,換算為攝氏溫度也就是-273.15℃,是粒子動能低到量子力學最低點時物質的溫度。目前宇宙最高溫是多少?
  • 前三季度,中國發電量約為5.297萬億度,用電量約為5.344萬億度
    前三季度,中國火力發電量按照國家統計局公開的信息,今年前三季度,中國累計的發電量達到了52967.3億千瓦時(約為5.297萬億度),同比增長3%。其中,9月份的發電量約為5908.4億度,同比增長4.7%。
  • 絕對零度為何正好是-273.15度,後面的小數點有何意義?
    筆者-小文我們總是感到疑惑,為何宇宙中沒有最高溫度,卻存在著絕對零度呢?溫度的上限或者下限又是由什麼決定的?我們對於溫度最直觀的感受就是冷暖了,當氣溫無比炎熱時,即使不看天氣預報,我們心裡也很清楚,當天的氣溫一定很高。而當我們觸碰一個有溫度的物質時,在熱傳導效應的影響下,我們可以感知到這個物體的冷熱,而其實決定一個物體冷熱的關鍵,與物體內部分子運動的劇烈程度有關。
  • 宇宙中最高的溫度是多少?最低溫度是多少度?
    最低溫度:所以理論上,當物體的分子完全靜止的時候,就是溫度最低的時候,科學界對這個溫度有一個專業名詞——絕對零度。根據計算,「絕對零度」的數值為-273.15℃,在此溫度下,物體分子的動能為0,處於完全靜止的狀態,所以這就是溫度的下限,也是一個理論值。
  • 溫度的絕對零度是-273.15攝氏度,為什麼高溫無限高呢?
    溫度這個概念的對於我們來說並不陌生,水的沸點是100℃,人的正常體溫是36.5℃,冰點是0℃,最低溫度的極點是-273.15℃也就是我們所說的絕對零度。可對於溫度的最高上限我們卻不得而知,科學的研究讓我們認知到溫度的上限是無窮大的,溫度可以無限制的升高,可能量守恆定律又告訴我們一切的能量都是在相互之間轉換而不能再生的。那麼既然宇宙的能量總和是有限的,為什麼轉換成熱能後體現出來的溫度卻是無限高呢?想要了解溫度首先我們要知道溫度的概念。
  • 宇宙大爆炸時的最高溫度是多少度?為何溫度能達到這麼高?
    很多人都只知道宇宙中有最低溫度,那就是絕對零度,或者說是零下273.15攝氏度,但是其實宇宙中也有絕對最高溫度,這個溫度我們稱之為普朗克溫度,它是自然界中溫度的基礎上限,現代的科學家認為,宇宙中比普朗克溫度更高的溫度是不可能出現的,而且研究這個極限高溫則沒有任何意義,普朗克我們都知道,能量量子化理論的提出者,也是量力物理學的開門者,普朗克溫度以他命名。
  • 溫度能否低至零下1000度?地球在這種溫度下會怎樣?
    首先,地球上不可能出現零下一千攝氏度的低溫,就連宇宙中也不會出現這麼低的溫度。因為最低溫度只有-273.15 ℃,而且這還是無法達到的極限溫度——絕對零度。那麼,為什麼溫度會有下限?為什麼下限是-273.15 ℃,而不是-1000 ℃,或者更低的溫度?
  • 溫度能否低至零下1000度?網友評論太有才了
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  • 絕對零度:最低溫度的極限:宇宙中永遠達不到的溫度:-273.15℃
    那麼,T1=0這個值,如果用我們攝氏度的概念來描述,它該是多少度呢?今天我們知道,是零下273.15℃,這也就是被稱之為絕對零度。那麼我們不禁要問,既然我們這個數字是怎麼得到的呢?它又是怎麼被發現的呢?