絕對零度是-273.15℃,也就是K氏溫標的0K,家裡的冰箱就能輕易達到零下十幾度,乾冰可以達到-78.5℃,液氮可以達到-196℃,但繼續往下,顯然難度就越來越高!但高溫卻很容易到達數百度,點根火柴就差不多400-500℃了,一般的熱處理爐溫就到上千度了,高爐則1500℃以上,當然最簡單的還是電焊電弧的溫度,輕鬆超過3000℃!
但這遠沒有上限,太陽表面5500℃以上,天狼星超過9000℃,中子星表面超過1000萬攝氏度,而中心則超過了100億度,而中子星碰撞時候則溫度更高……似乎沒有一個上限,為什麼低溫有個下限,而高溫卻沒有上限?
溫度的本質是什麼?
曾經熱質說非常流行,當時的科學界普遍認為熱質是一種無質量的氣體,物體吸收熱質後溫度會升高,熱質會有溫度高的物體流向溫度低的液體!熱質能解釋很多發熱現象,但卻無法解釋摩擦生熱,比如1798年時,英國科學家倫福德在監造大炮時就發現,磨鈍了鑽頭比鋒利的鑽頭產生熱量要高得多!有意思的是18世紀末期,還有科學家認為冷也是一種物質!
摩擦生熱
焦耳在1840年進行多次導體通電發熱的實驗後認為不過熱只是一種能量的形式,而隨著熱機理論的發展和布朗運動的發現,熱質說逐漸被粒子運動論所代替,早在1738年丹尼爾·伯努利發表著作《流體力學》中,伯努利提出,氣體是由大量向各個方向運動的分子組成的,分子對表面的碰撞就是氣壓的成因,熱就是分子運動的動能。1744年羅蒙諾索夫第一次明確提出熱現象是分子無規則運動的表現,可惜伯努力和羅蒙索夫的觀點沒有被當時所接受!
十九世紀中期克勞修斯和麥克斯韋玻爾茲曼統計定律發布,但熱質論支持者仍然認為微粒運動只是假說,給熱質說這個大棺材釘上最後一根釘的是愛因斯坦和馬利安·斯莫魯霍夫斯基關於布朗的論文,自此熱質說被徹底拋棄!
最低溫度和最高溫度的來歷
前文我們知道了物質的溫度取決於原子、分子等粒子的動能,根據麥克斯韋-玻爾茲曼分布粒子動能越高,物質溫度就越高,那麼當粒子的動能低到量子力學的最低點時,物體也就達到了最低溫度,因此最低溫度即粒子不運動的溫度,這是可以計算出來的!
這個理論最低溫度就是絕對零度,也就是微觀粒子不運動的溫度:-273.15℃,但這個溫度是無法達到的,因為我們無法通過有限的循環將溫度降到這個值以下,另一個則是粒子宏觀運動可以讓其靜止,但量子力學中的運動我們卻無法控制,所以-273.15℃只是一個理論值,我們永遠都無法達到,即使宇宙未來熱寂時的溫度!
不過這個理論卻可以用來創造最低的溫度,即用雷射頻率的都卜勒效應來讓原子無限接近「停止」運動,以此來達到宇宙中最低的溫度,國際空間站的冷原子云實驗達到了宇宙中最低的溫度:-273.1499999999 ℃,但距離絕對零度仍然有一步之遙!
宇宙中最高的溫度又是多少?
粒子不運動就是最低溫,那麼運動最高速就是最高溫度,這個溫度普朗克已經幫算好了:
1.416808(33) × 10^32 K
這裡必須要了解下粒子運動的最高速度,似乎沒有上限?但狹義相對論已經規定了速度的上限是光速,因此粒子運動也必須遵守這個規律,因此宏觀物體的理論最高溫度就是微觀粒子在光速下的運動速度!與絕對零度相比,這更是一個人類無法企及的溫度!
宇宙誕生時的溫度
在本宇宙中只有一次機會有過最高的普朗克溫度,也就是奇點時的溫度,當整個宇宙處在一個奇點時大達到了這個溫度,但我們並不知道這個奇點維持了多久,因為那會時間都還沒有起點,自這個奇點膨脹以後,溫度就一路下降,到10^-6S後,溫度將下降到了能讓夸克在膠子的作用下誕生重子,之後就是太初核聚變,再後則是光子時期,一直到38萬年後等冷卻到光子可突破束縛,在宇宙中傳播,這個界限就是微波背景輻射!
所以相對於普朗克溫度,還是絕對零度和我們接近一點!