人造最高溫度已經達到5.5萬億度,為何造不出-273.15度的低溫呢?

2020-12-10 科學新視界

在今年4月2號的時候,位於安微合肥的「東方超環」可控核聚變實驗裝置一點也不受疫情的影響,首次實現了「1億攝氏度下,穩定運行10秒」的運行目標。這一成就意味著我們中國人,也意味著我們人類文明距成功掌握可控核聚變技術又近了一小步。

這裡我們會看到一個驚人的數字「1億攝氏度」,我們人類竟然能夠製造這麼高的溫度。但是你知道嗎,我們人類所製造出的最高溫度可遠遠不止1億攝氏度。根據科學界的新聞,我們人類所製造出的最高溫度,是2012年時由高能物理學家利用粒子加速器製造出來的,達到了驚人的5.5萬億攝氏度。

為什麼高能粒子加速器內會誕生這麼高的溫度呢?為什麼加速器內可以承受這麼高的溫度?人類已知的熔點最高的物質鉿合金(Ta4HfC5)的熔點也才僅僅4215℃啊,如此高的溫度究竟是如何存在於地球的?

想要知道這些,我們需要複習一下物理學中對於溫度的定義:溫度是微觀粒子運動的宏觀表現。所以說,我們感受到的並不是溫度,而是熱量。一般來說,粒子的動能越大,其表現出的溫度就越高。正是因為如此,在粒子加速器中才會允許出現單個的粒子達到5.5萬億攝氏度的高溫。而在只有一個粒子的情況下,溫度雖然高,但是產生的熱量非常少,所以5.5萬億攝氏度這樣的高溫才能夠存在於粒子加速器內部,不對宏觀世界造成危害。

相比於在創造高溫的方向上的大步向前,人類創造低溫的能力看上去就有點舉步維艱了。為什麼我們創造低溫的能力不行呢?因為在我們的宇宙中,物理規則規定了這個宇宙的最低溫不能夠低於-273.15攝氏度,這就是我們所熟知的絕對零度。

光從數字上看,高溫5.5萬億攝氏度和低溫-273.15攝氏度看上去好像相差很遠,5.5萬億看上去好像更難,更不容易,但在物理學中其實恰好相反。絕對零度就像是光速一樣,就算在理論上,我們都只能做到無限接近。

是的,絕對零度只能無限接近而始終不能達到,那麼為什麼數字看上去如此普通的-273.15攝氏度我們人類就是無法達到呢?這其中有著怎樣的物理限制?這個問題涉及到了溫度的本質。

前面我們說過,溫度是微觀粒子運動的宏觀表現,簡單來說就是只有粒子運動才會產生溫度。因此只要有粒子在運動,就會有溫度產生,只有當粒子處於靜止狀態時,才能夠達到絕對零度。但是量子力學基礎告訴我們,粒子是不可能處於靜止狀態的,這違反了測不準原理(也叫不確定性原理)。

測不準原理告訴我們,我們無法同時精確測得一個粒子的空間位置和速度,當速度測得越準的時候,空間位置就越測不準;當空間位置測得越準的時候,速度就越測不準。因此,科學家們只能用概率來描述粒子的運動。

宏觀世界都是由物質構成的,而物質的微觀組成又是原子,原子又是由電子和原子核組成。我們無法定位電子,我們中學學到的電子云就是這麼回事,這意味著電子會無休止的運動下去,於是就產生熱量了,儘管產生的熱量可能非常低,但這也確實導致了絕對零度的不可到達。

為了儘可能的製造低溫,物理學家們在實驗室裡利用雷射製冷技術,創造過0.5納K(開始溫度,開爾文)的低溫,僅僅比絕對能零度高20億分之一K,儘管距離絕對零度如此之近,但科學家們依舊是沒能達到絕對零度。正所謂一線之隔,天壤之別說的就是這種情況了。其實在做實驗的時候,物理學就已經知道,他們是不可能達到絕對零度的。就和他們知道存在靜止質量的物體是永遠也無法達到光速的。

其實在量子力學禁止人類達到絕對零度的同時,相對論也在禁止人類創造出「最高溫度」。如果說絕對零度意味著粒子的絕對靜止,那麼最高溫度就是粒子運動速度的上限,當粒子的速度達到光速的時候,就是理論上的最高溫度了。

但是除了光子沒有靜止質量外,組成宏觀世界的粒子都是有靜止質量的,所以它們都不能達到光速,所以對於最高溫度的描述就是粒子速度無限接近光速。當然,也有說法認為宇宙溫度是有上限的,那就是宇宙大爆炸瞬間的溫度1.4億億億億攝氏度,至於到底哪個是對的,也許我們永遠也不知道。

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