人類能創造上億度的高溫,卻無法突破絕對零度,為何會這樣?

2021-02-15 宇宙探索

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溫度對於我們來說看不見摸不著的,因此依靠自身無法來對其進行精確的描述,但我們卻可以根據溫度變化情況來決定的我們的穿衣打扮,溫度高,那就是熱;溫度低,那就是冷,這是生活中的常識。

溫度的本質是什麼?

從宏觀上的簡單理解,就是一個用來表示物體冷熱程度的物理量,如果有兩盆水,溫度分別是0攝氏度,40攝氏度。

當你先把手放到0度的水中之後,再把手放到40度的水中,你會很明顯的發現第一盆水是冷的,第二盆水是熱的,所以溫度就是冷和熱兩個概念。

但從微觀上來理解,溫度是用來表示物體分子熱運動的劇烈程度,可以說溫度是由物體分子熱運動而產生的,如果分子的熱運動越劇烈,物體的溫度就越高,而分子這種微觀運動的劇烈程度就決定了物質溫度的高低,總而言之溫度就是物體分子間的平均動能的表現(這裡需要注意的是平均動能,而不是單個或多個分子,因為在單個分子內不存在溫度)。

根據科學家們研究發現,目前地球上的最高溫是位於地球的內核,溫度高達6000攝氏度以上,比太陽的表面溫度還要高,這主要是因為在地球內部存在著巨大的壓力,而在這種高壓下,物質的溫度也隨之增高。

但如果在太陽系內比較的話,這個溫度就不算高了,因為溫度最高的是太陽,太陽的內核溫度直接高達2000萬攝氏度。

雖然太陽的內核溫度可以達到2000萬攝氏度,但是在廣袤無垠的宇宙中還存在著比太陽更大的恆星和星球,而恆星的質量越大溫度也就越高,因此這些恆星溫度很可能比太陽高得多,於是科學家們就認為溫度沒有上限。

那麼溫度有上限嗎?

首先溫度的本質是粒子的熱運動劇烈程度,而粒子的運動則會產生動能,說白了的話就是溫度的變化也就是動能的變化。由狹義相對論可以得到,動能會隨著速度趨近於光速而變得無窮大,但這並不意味著溫度就沒有上限了。

粒子的熱運動劇烈程度產生的動能,其上限就是光速,因此並不可以說溫度可以無窮升高。

而科學家將溫度的上限值稱為普朗克溫度,它的值超出了我的的想像,不過這樣的高溫在現實生活中不可能再出現了,因為宇宙中可能只有138億年奇點發生大爆炸的瞬間才達到了這個溫度。

宇宙最高溫度。

宇宙大爆炸是當今宇宙起源的主流理論,也廣泛的被天文物理學家們所認同,同時也有星體紅移現象和宇宙微波背景輻射等天文觀測證據所支持的。

大爆炸理論認為,宇宙在最初的時候只是一個奇點,理論上這個奇點是沒有空間的,也就是說其宇宙半徑尺寸趨近於零,但它卻是一個密度無限大,溫度無限高,體積無限小的一個「點」,所以奇點爆炸的那個時刻被認為是宇宙出現以來溫度最高的一個時刻,在量子物理學中,這個溫度被稱為普朗克溫度。

普朗克溫度指的是宇宙大爆炸開始的第1個普朗克時間中宇宙的溫度,達到了1.416833(85) × 10的32次方K,也就是大約1.4億億億億度,這也是目前理論上推測出的宇宙最高溫度。

關於最低溫度的定義數值為—273.15攝氏度,即最低溫度的極限,也被稱為絕對零度,因此-273.15℃就是熱力學當中的絕對零度。

絕對零度的發現。

在16世紀末,法國物理學家阿蒙頓發現,在水的沸點以下,溫度與氣體的壓力成正比。他認為壓強的下降是有極限的,因此溫度也是有下限的,通過計算他認為溫度的下限是—246℃。

後來科學家們還發現,氣體的體積與壓力和溫度有關,當壓力增大或溫度降低時,氣體體積就縮小。於是到了1787年,法國物理學家查爾斯把它寫成了一條定律:對於一定質量的氣體,壓強是恆定的,溫度每下降1℃,氣體的體積就縮小到0℃時體積的1/273,因此就認為最低溫度為—273.15攝氏度,即絕對零度。

但是根據熱力學的第三定律,絕對零度是不可能達到的。

為什麼達不到絕對零度?

根據溫度的實質,粒子的熱運動產生了動能,動能的變化與溫度的變化是呈現正比關係的,通過上面的描述,當這些粒子完全不動,處於靜止狀態的時候,那不對應的就是最低溫度嗎?

雖然這看起來很符合,但這其實是錯的。隨著上世紀量子力學的發展,我們知道微觀粒子是具有波粒二象性的,描述了微觀粒子的行為是和宏觀完全不同的,是具有不是確定性以及概率性的。

因此,微觀粒子不可能完全停在某個位置上,也就是說粒子的運動不可能完全停止,因此溫度自然也不可能下降到絕對零度。其實絕對零度就和光速一樣(科學家通過粒子加速器對粒子加速的時候,粒子的速度可以達到99.999%光速,可就是無法實現光速) 只能無限接近但永遠無法達到。

因此,絕對零度就是宇宙的最低溫度,在宇宙內的所有溫度都會高於絕對零度。

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