揭秘溫度的本質，它在宇宙中是如何運作的？

2020-09-05 墨玫人工智慧

什麼是溫度？如何被我們感受到的

溫度是人類等生命感受環境的重要指標之一，它反映了物體分子熱運動的劇烈程度（當然越熱的物體分子運動越快），其對生命的存續產生了重要的影響。

就如演化學習一樣，生命的發生既沒有發生在固體物質中（變化太慢），也沒有在氣體中（變化太快，不利於維持自身狀態），而是選擇了液體。同理生命的存在也遵循著一定的溫度範圍，也許是水養育了我們，人類自發的將誕生我們的生命之源水的熔點定義為0℃，也許是人類生命起點搖籃的意思。

不同溫度的體現

物理學中最高溫度理論能達到1.4億億億億攝氏度，最低下限為-273.15攝氏度。而目前人造溫度最高能達到55000億度，誕生於大型強子對撞機中。為方便理解，讓我們以0℃為分界點，舉幾個例子直觀展現一下不同溫度下的物質在宇宙間的例子。

（一）-273.15℃至0℃

①-12.3℃，南極洲的最高溫度，其平均溫度在-50℃左右。

②-32℃，手機的最低工作溫度。

③-40℃，皮膚的凍結溫度，一旦達到這個溫度，我們的皮膚能被迅速凍結。

④-78℃，乾冰的溫度，其用途廣，我們看到的滅火器，特殊藥品的冷藏，餐廳裡仙氣騰騰的海鮮之類都需要用到乾冰。

⑤-89.2℃，地球上所測最低自然溫度，發生在1983年南極俄羅斯沃斯託克站。

⑥-196℃，讓空氣凝固的溫度，空氣不再以氣體形式存在，人體冷凍技術在此溫度下進行

⑦-272℃，生命存活的最低溫度，水熊蟲可在151℃的高溫與-272℃的低溫中生存，生物生存界的王者~

⑧-273℃，絕對零度，無法達到。

（二）0℃至55000億℃

①0.01℃，冰變為液態水，水在此溫度為固、液、氣共存狀態。

②10℃，蚊子在此溫度以上開始繁殖。

③13.7℃，人體溫度的最低記錄（低體溫患者）。

④14.6℃，地球的平均溫度。

⑤46.5℃，人體溫度的最高記錄。

⑥56℃，地球氣溫最高記錄。

⑦151℃，動物生存的最高溫度，上文提到的水熊蟲。

⑧1200℃，火山噴發後巖漿的溫度。

⑨5600℃，太陽表面溫度。

⑩6000℃，地球地核溫度。

5500萬℃，超新星的溫度，比恆星一生輻射的能量大，能瞬間照亮整個銀河系

55000億℃，人造溫度的最高境界，誕生於大型強子對撞機試驗中。

人類等動物是如何感受溫度

為了更好的適應環境得以生存。應激反應與神經系統的學習讓我們的神經突觸中針對不同溫度所產生的蛋白質受體數量產生了不同數量的變化（學習），生命因此感受到外界的信息，通過對不同信息的反覆嘗試試錯，人類最終學習到什麼樣的溫度適合自己，躲避高溫的地方，也會穿更多衣服以避免失溫。

就如傳感器一般，人類對溫度的感受分為熱感應器與冷感應器，當接收到外界溫度變化時，反應器通過神經脈衝電信號（50mv左右）傳輸給大腦，產生的效果強弱由脈衝頻率（能量大小）所決定。除了我們的皮膚中，人體體內的內臟、某些黏膜也存在溫度感受器。這些感受器將電信號傳導給脊髓、延髓、腦幹網狀結構等感受溫度變化的神經元，其中下丘腦局部溫度改變0.1℃，這類神經元傳導電信號的頻率就將改變（超過神經細胞去極化速度，達到閥上刺激，且隨著電信號頻率增強，閥上刺激頻率也相應增多，個人感受到的刺激也增強），進而人腦通過電信號頻率的改變意識到冷熱的變化。

神經元傳導電信號可以簡單的理解為給一個電容器充電，當充電速度越快，兩側所積聚正負電荷的速度也越快，隨著正負電荷的積聚電壓增強，最終會超過某一閥值（擊穿電壓），兩側導通。在神經元細胞中這時就發生一次神經傳輸。而充電速度越快則擊穿頻率也越快，進而神經傳輸的頻率也越快，此時人類將感受到越強的刺激。

說完了人類感受諸如外界溫度等刺激的機制後，我們來看看，溫度的變化到底會對我們自身產生何種影響？

溫度變化對人體的影響

溫度是怎麼影響我們的？

大家都知道我們人體由細胞構成，而正是由於生物酶的存在每個細胞才能保持正常的生命活動，酶是體內新陳代謝的催化劑，生物酶的存在越多，越完整我們就越健康。反之我們人體大部分疾病均是因為生物酶的缺乏與合成問題造成的。

而要使生物酶正常的產生作用（也就是活性化），則需要使其保持在一定的溫度內，過高與過低都不行。否則我們的各新陳代謝活動都將受到阻礙，嚴重的甚至會停止，進而威脅到生命。

人體如何調節溫度？

不同溫度下，各生理機制的變化（如汗腺分泌、腎上腺、甲狀腺素的分泌等等）各類教科書已經闡述得很清楚，基本就是溫度感受器接受體內、外環境溫度的刺激，通過體溫調節中樞（下丘腦等）的活動，相應地引起內分泌腺、骨骼肌、皮膚血管和汗腺等組織器官活動的改變，從而調整機體的產熱和散熱過程，使體溫保持在相對恆定的水平。

人體溫度調節機制

宇宙中的最高溫與最低溫

宇宙中的最高溫

就如上文提到的，根據我們宇宙間的物理定律，理論最高溫度可以達到1.4億億億億攝氏度（普朗克溫度），在該溫度下一切熟知的基本粒子以及四大基本作用力都還處於統一狀態，此極高溫度只有當初宇宙大爆炸時發生過，在宇宙產生的第一個普朗克時間之時，宇宙的體積極小，密度極大，宇宙的所有粒子都被壓縮在一個極小尺度體積中做劇烈運動。眾所周知，溫度是描述大量粒子的平均動量，在如此小的體積中運動的粒子有多大的動量可以想像，其產生了物理學中的最高溫度（1.4億億億億攝氏度）。

宇宙大爆炸

經過138億年的冷卻，整個宇宙的平均溫度已經來到-270.4℃（比絕對零度高一點），到如今我們宇宙的四大基本作用力已經形成，雖然已冷卻如此久，不過在一些極端天體中溫度也可達到極高溫，例如黑洞視界線的吸積盤處，強大的引力使大量物質聚集高速旋轉互相摩擦產生極高的溫度，而更加靠近奇點引力呈幾何倍增強，溫度更加難以想像。比中子星碰撞的3000億攝氏度，大質量恆星內部等的溫度大多了。

中子星撞擊

黑洞等離子噴射流

一切的規則也許都因外部環境的變化而變化，當宇宙冷卻到一定階段，宇宙四大基本作用力形成後溫度的上限貌似也被規定在一個範圍內。我們知道當一個物體接近光速時，所需能量將呈指數級增長。如需將一個物體加速至接近光速時，需要無限大的能量。而超大質量黑洞所噴發出的等離子噴射流所含動量極高，等離子體完全電離，其中的電子運動速度非常快，達到了光速的99.9999％。可以推測在奇點以外噴射的等離子流之類為整個宇宙能量最大的事件，也就是最高溫。

宇宙中的低溫

其實就算在絕對零度下，物質也不是所有運動都停止了，所謂運動是絕對的，靜止是相對的。物質的微觀運動可以分為分子平動、分子轉動、分子振動、電子運動和核運動等。絕對零度下，分子平動，繞質子的分子轉動的確已經消失，但分子振動，電子運動和核運動在量子層面存在其最低的量子態，不隨溫度的降低而停止（所謂的量子漲落）。

所謂「不存在」任何物質的真空，是否真的沒有任何物質且達到絕對零度

真空是物理學中對空間的一種描述，它描述了一種不存在任何物質的空間狀態。不過在宇宙中的任何空間中都存在能量與熱量，也就是我們所認為的真空其實不空，並不是不存在任何物質，只是密度低至10^-26千克/立方米，每立方米只有6個質子，近似真空而已。密度極小的空間中，單位體積粒子的總動量如此小，進而溫度也是極低的，不過還遠遠說不上絕對零度。

結語

在宇宙的尺度下，各種粒子隨量子漲落無時無刻都存於空間中並運動著，運動是絕對的而靜止是相對的，故而溫度總是存在。正因有了運動，有了能量，有了溫度才誕生出如今的世界。你和我才會存在於世上，這是一個有溫度的世界！

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聲明

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編輯：Zero


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