溫度的上限和下限分別是多少?人類竟然創造出5.1億℃的高溫!

2020-12-05 科學新視界

對於溫度我們,我們最直觀的感受就是冷與熱。對於我們人類而言,我們所能觀察到的宏觀世界的任何一個物體都有一個溫度。我們平時很冷的時候總愛說一句「我已經冷的感受不到溫度了」就是一句謬論,因為溫度是客觀存在的,「冷」這種感受也是溫度的體現。

既然談到了冷熱感受,就有人會問了,我們的宇宙中存在所謂的最高溫與最低溫嗎?或者說,溫度有上下極限嗎?

想要理解這個問題,我們首先需要理解溫度的定義:溫度是表示物體冷熱程度的物理量,從微觀上來講是物體分子熱運動的劇烈程度。溫度只能通過物體隨溫度變化的某些特性來間接測量。所以當粒子的運動越劇烈,溫度就會越高,當粒子運動越慢的時候,溫度就會越低。

比如平時生活中,我們之所以感覺到開始燙手,就是因為水分子的運動更加劇烈,當這些劇烈運動的水分子與手接觸時,水分子的能量就會被皮膚上的分子吸收,導致接觸部分的分子運動變得劇烈,溫度就會升高,從而刺激神經末梢,我們的大腦皮層就感受到了「燙」。

知道了這點,我們就能解釋溫度的上下限了。當粒子的運動速度慢到極限的時候,溫度也會下降到一個極限,當粒子完全靜止的時候,就是溫度的下限了,這就是我們平常說的「絕對零度」——零下273.15℃。

但是到目前為止,科學家們還從未發現過絕對零度的狀態,因為粒子的熱運動是永遠也不會停止的。這個客觀事實意味著,絕對零度是一個理論的極限值,在實際中永遠也無法達到。這是由量子力學所決定的,根據量子力學的基本原理——測不準原理我們可以得出這個結論。這是由德國物理學家海森堡提出的理論,也叫做不確定性原理:我們不可能同時知道一個粒子的位置和它的速度,粒子位置的不確定性,必然大於或等於普朗克常數(h)除於4π(ΔxΔp≥h/4π)。當粒子完全停止運動的時候,粒子的速度或者動能就為零了,這就意味著粒子的位置也是確定的,這違背了測不準原理。

那麼溫度有上限嗎?很多人認為溫度沒有上限,因為粒子的劇烈程度是沒有上限的。其實這樣理解是不對的,溫度是有上限的,其上限溫度為1.4億億億億℃。這就是普朗克溫度,以德國物理學家普朗克命名。這個溫度是宇宙大爆炸發生後的瞬間溫度,宇宙大爆炸後,宇宙溫度在一個普朗克時間內達到了一個普朗克溫度。

根據愛因斯坦的狹義相對論,光速是這個宇宙中物質運動的上限。宏觀物質是由微觀粒子構成的,當這些粒子的速度無限趨近於光速時,它的動能也會趨近於無窮大,這意味著物體的溫度也會趨近於無窮大。

但是這裡我們要注意,當溫度高到一定的程度時,四大基本力就會統一,最倔強的引力就會與其它三大基本作用力統一,這就是宇宙大爆炸發生瞬間時的情況。引力,電磁力,強相互作用力和弱相互作用力在這種情況下會變得不分彼此,這時候,物質存在的基礎就沒有了,溫度這個物理量也就沒有意義了,所以不會有再高的溫度了。因此,普朗克溫度被定義為溫度的上限。

既然溫度的上限如此高,達到了1.4億億億億℃,那人類能夠製造出的最高溫度又是多少呢?很多人可能會想到我國最新的人造太陽,因為它達到了2億攝氏度。但是不是的,人類目前達到的最高溫是5.1攝氏度,這個溫度比太陽的最中心還要熱30倍。這個溫度是1994年5月27號的時候,由美國新澤西州普林斯頓大學的等離子物理實驗室製造出來的,在這裡,科學家們通過使用託卡馬克核聚變反應堆,利用氘和氚的等離子混合體製造出了這個人類最高溫。

5.1億攝氏度,這個溫度確實很高,但是與普朗克溫度相比確是不值一提。這裡有一點需要特別提一下,普朗克溫度與絕對零度不同,絕對零度是一個永遠也無法達到的溫度,只要粒子的運動無法停止,就不能達到絕對零度,而海森堡的測不準原理又不允許粒子停止運動,所以絕對零度只能接近,無法真正達到。而普朗克溫度不一樣,這是宇宙中確確實實達到過的溫度。

那目前人類已經測得的最低溫度是多少呢?科學家們發現布莫讓星雲的溫度只有-272攝氏度,只比絕對零度高1.15℃,布莫讓星雲也因此被稱為「宇宙冰盒子」。 為了製造出更低的溫度,人類製造出了液氦,但這還不夠,科學家們又通過利用液氦蒸發的方法製造了更低的溫度,但是最終也只能達到-273℃左右,始終無法達到真正的絕對零度。我們製造的最低溫與絕對零度只有0.1℃左右的差距,但就這小小的0.1卻成了人類無法跨越的鴻溝。

也許未來世界,隨著科學的發展,溫度的極限還會發生變化,但是現有的科學框架下,絕對零度和普朗克溫度就是溫度的上下極限了。另外,這麼高的溫度是用什麼材料測得的這種話題就不要問了,分享關注,接下來說!

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    答案是肯定的,根據愛因斯坦相對論,物體的速度極限是光速,粒子的運動速度也不可能超載光速,所以從理論上來講,溫度也是有上限的,那麼這個上限值是多少呢?科學家通過研究認為,宇宙中最高的溫度應該是大爆炸的那一刻,也被稱之為普朗克溫度,數值達到了1億億億億攝氏度,這個數字足有33位數之多。可見這是一個多麼可怕的溫度。
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  • 1.4億億億億°C,宇宙溫度的上限?
    ,氣溫高達56.7℃,但和3000℃的地幔,5500℃的地核比起來,人類記錄到的「最高氣溫」顯然不值一提。像太陽這樣的中等質量黃矮星,在生命末期往往會生成一顆密度極大的白矮星,這種由原子和原子緊緊排列在一起而形成的天體,核心區域溫度達到了1億℃。而比太陽質量更大的恆星,在生命末期會生成一顆中子星,核心溫度10億℃,理論上存在的「夸克星」如果被發現,核心溫度肯定還會打破10億℃。
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    根據這個概念,我們知道了「絕對零度」(0開爾文),它是最低溫度的極限,即:-273,15°C,要達到此溫度是不可能的,只能無限趨近。目前,人類創造的最低溫度僅比絕對零度高0.5納開爾文。但是,你想過嗎?在萬物之中,有最高溫度嗎?
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    地球上所有的生物對於溫度都有一個適應機制,溫度如果過高或者過低都會對生物本身產生一定的影響。而目前人類在面臨著全球變暖帶來的溫度上升,預計到了2100年,全球平均氣溫將上升1.4~5.8攝氏度左右!溫度的上升和下降對於全球來說都是一個不好的現象。回過頭,我們再來討論溫度這個概念。