在中國古代有一個對於「宇宙」的定義:上下四方曰宇,往古來今曰宙。翻譯過來就是宇宙的「宇」代表的是空間,宇宙的「宙」代表的是時間。也就是說,宇宙是時間和空間的集合。現代科學中對於宇宙的定義其實和古代中國學者的定義是很接近了,具體來說就是:宇宙是所有時間、空間與其包含的內容物所構成的統一體。
所以,當我們要了解這個宇宙的最高溫和最低溫時,我們就需要從整個宇宙尺度來看。在整個尺度下,宇宙是存在著最高溫和最低溫度的,其中最高溫是1.4*10^32K(1.4億億億億K,K是溫度的單位卡爾文),最低溫度是絕對零度0K,也就是零下273.15℃。
首先,我們想說說這個最高溫度到底是咋回事?
宇宙大爆炸第一瞬間的溫度
關於宇宙起源和演化的理論被稱為標準宇宙模型,如今也被叫做Λ-DCM模型,其中Λ代表暗能量,DCM代表冷暗物質,這個模型的基礎是宇宙大爆炸模型。按照這個理論,我們知道,宇宙起源於138.2億年前的一場大爆炸。關於這場大爆炸,我們如今所掌握的關鍵證據一共有三點:
大爆炸起始於一個奇點,如今的物理學無法描述這個奇點。我們只知道,從大爆炸之後,宇宙空間開始劇烈的膨脹,在極其短的時間內,膨脹到了原來的10^30倍。
不僅如此,宇宙大爆炸最早的溫度也是我們所處的這個宇宙的最高溫度,隨著宇宙空間的劇烈膨脹,溫度開始劇烈下降。在我們如今的認知中,時間變化的最小單位是普朗克時間(5.39^-44s)。
宇宙大爆炸的第一瞬間的溫度就是宇宙大爆炸後普朗克時間(5.39^-44s)對應的溫度,這個溫度也被稱為普朗克溫度。我們可以通過理論計算得到這個溫度的數值,也就是1.4*10^32K(1.4億億億億卡爾文),這就是宇宙的最高溫度。
這個最高溫度來自於炙熱的奇點大爆炸,隨著大爆炸的進行,溫度一直在下降,到如今這個溫度已經很低很低,接近於絕對零度,我們目前還可以利用探測器探測到這個餘溫,大概是2.7K,僅僅比絕對零度高2.7度,是遍布全天的背景輻射,於是也被叫做宇宙微波背景輻射。
了解了宇宙中的最高溫度,那宇宙的最低溫度絕對零度又是咋來的呢?
絕對零度
要了解絕對零度,我們就首先需要先了解一下:溫度。我們可以先從微觀的角度來理解溫度。我們都知道萬物都是由粒子構成的,比如:分子,原子,電子等等。這些粒子實際上不是一動不動的,相反,它們時時刻刻在動。
科學家就發現,我們無法一個個去描述這些粒子,只能用統計學的方法,描述整體的情況。當這些粒子整體運動得更加劇烈,那溫度就會升高,反之,當這些粒子整體運動得不那麼劇烈,那溫度就會降低。
於是,從微觀角度來看,我們就會發現,用粒子的平均動能就可以來描述溫度的情況。因此,溫度的本質實際上是粒子熱運動的劇烈程度。
了解的微觀尺度下溫度的定義,我們就不難發現,單粒子的平均動能接近於最小值時,那麼對應的溫度就應該是最低溫度。於是,科學家通過理論計算,其實就可以得到在粒子平均動能最小時,對應的溫度是零下273.15度。
這裡要強調一下,很多人會認為,這個絕對零度對應的不就是粒子都不動時的溫度嗎?粒子都不動,平均動能不也就為0了嗎?
答案其實是否定的,絕對零度時,粒子實際上也還在動。按照熱力學定律,絕對零度是無法觸達的,所以我們測不到絕對零度,只能通過理論得到。而在量子力學中存在著一個基石理論叫做不確定性原理,也有的人把這個理論翻譯是叫做測不準原理。這是物理學家海森堡提出來的,他發現,粒子的兩個參數,動量和位置是沒有辦法同時測準的。測準了動量,位置就不準了;測準了位置,動量就沒法測準了。
說白了,我們根本沒有辦法同時知道粒子的速度和位置,這是由粒子本身的屬性所決定。如果粒子靜止不動,那我們就可以同時知道它的位置和速度,這是違反量子力學的理論的。因此,實際上,絕對零度時,粒子其實還是在小範圍內振動的,而不是完全不動了。
相對論和量子力學是現代物理學大廈的兩大基石,這裡向大家推薦兩本科普書籍:《狹義與廣義相對論淺說》(彩圖珍藏版)和《從零開始讀懂量子力學》,北京大學出版社出版,深入淺出地詮釋了相對論和量子力學的前世今生,通俗易懂,需要的夥伴可以點擊下方連結購買(還有大劉經典科幻小說《三體》):