其實宇宙是存在最低溫度的,這個溫度就是零下273.15度,同時宇宙也存在一個最高溫度,這個溫度就是1.4*10^32K(1.4億億億億度)。最高溫度和宇宙大爆炸模型有關。而最低溫度其實和熱力學、量子力學有關。
今天,我們就來說一說最低溫度到底是咋來的?為什麼就不是其他的數字,偏偏是-273.15度?
溫度
其實要了解最低溫度,我們就得先來聊一下:溫度的本質到底是什麼?
其實在物理學中關於「溫度」的定義特別多。我們就來說一個微觀世界中,對於溫度的定義。具體來說,溫度的本質其實就是微觀粒子的熱運動的劇烈程度。
那該如何去理解這個定義呢?
我們都知道,萬物都是由粒子構成的。但是粒子並不是整齊劃一地排排隊地構成粒子。實際上,粒子更像是雜亂無章的狀態。
那問題就來了,那高溫和低溫有什麼區別呢?
其實溫度的微觀定義是有統計學基礎的,意思是說,需要建立在一定足夠多的粒子數之上。我們就拿太空來說吧,很多人認為太空的溫度是絕對零度。那意思就是說,到了天空中極有可能會被凍死。但實際上,這是有問題的。太空的物質密度極其低,大概就是一立方米只有一個氫原子的水平,所以,體現不出溫度來,所以暴露在太空中不會是凍死,而是憋死。而且太空也不是絕對零度,由於宇宙微波背景輻射的存在,這個溫度應該比絕對零度高2.72度。
所以,溫度要體現出來需要足夠多的粒子。而這些粒子的平均動能越高,溫度越高,反映出來的現象就是粒子整體上運動得越劇烈,溫度就越高。
絕對零度
了解了溫度的本質。我們再來看「絕對零度」其實就很好理解了。既然微觀粒子的熱運動的劇烈程度,在宏觀上表現出溫度的高低。那如果微觀粒子的平均動能為零,那不就沒有溫度了嗎?那這個狀態對應的是溫度不就應該是絕對零度了嗎?
這樣的看法也對,也不對。為什麼這麼說呢?
這是因為微觀世界和我們的宏觀世界是非常不同的,我們不能用宏觀世界的「有色眼鏡」來看微觀世界的現象。這裡不對的情況其實來自於量子力學的基石理論,也就是大名鼎鼎的「不確定性原理」,這條原理是由量子力學的奠基人之一維爾納·海森堡提出來的。
科學家在上世紀初就發現,在觀測電子的時候,你很難同時獲得電子的位置信息和動量信息。一旦你先把電子的位置信息測準了,那動量信息就測不準了;同理,當你想測準動量信息,位置信息就不準了。
所以,微觀粒子是不太可能靜止在那裡一動不動,理論上,它們在最低能量狀態時,還是會保持著在一定區間範圍內的振動。當微觀粒子處於這樣的狀態時,所對應的溫度就是零下273.15度,也就是絕對零度。由於這已經是微觀粒子的最低能量狀態了,沒辦法再低了,因此,溫度不可能再小了。
那問題來了,這個溫度真的可以達到嗎?
絕對零度能達到嗎?
客觀地說,按照目前的理論,絕對零度是達不到的,這其實也是熱力學幾大定律之一的內容。那為什麼絕對零度達不到呢?這裡其實就涉及到如何降溫的問題。
我們一般來說都是利用一個比原來溫度更低的溫度來給降溫。因為自然界有一條能量最低原理,能量會自發地從高能量狀態滑向低能量狀態。
要達到絕對零度,按照理論來說,就應該拿一個比絕對零度更低的溫度來降溫,可問題是,絕對零度已經是最低溫度了,沒辦法再往下降了,因此,我們不可能達到絕對零度。
但是理論歸理論,這並不是說就意味著我們什麼都不能做了。實際上,不信邪的科學家大有人在。很多科學家都向這個理論發起了挑戰,在地球上有許多實驗室在利用各種辦法做低溫試驗。
如今科學家還沒有成功試驗絕對零度,但已經十分逼近了絕對零度,但始終也沒有能夠實現絕對零度。