为什么高温没有上限,而低温却有一个绝对零度在限制?

在中国古代有一个对于“宇宙”的定义:上下四方曰宇,往古来今曰宙。翻译过来就是宇宙的“宇”代表的是空间,宇宙的“宙”代表的是时间。也就是说,宇宙是时间和空间的集合。现代科学中对于宇宙的定义其实和古代中国学者的定义是很接近了,具体来说就是:宇宙是所有时间、空间与其包含的内容物所构成的统一体

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所以,当我们要了解这个宇宙的最高温和最低温时,我们就需要从整个宇宙尺度来看。在整个尺度下,宇宙是存在着最高温和最低温度的,其中最高温是1.4*10^32K(1.4亿亿亿亿K,K是温度的单位卡尔文),最低温度是绝对零度0K,也就是零下273.15℃。

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首先,我们想说说这个最高温度到底是咋回事?

宇宙大爆炸第一瞬间的温度

关于宇宙起源和演化的理论被称为标准宇宙模型,如今也被叫做Λ-DCM模型,其中Λ代表暗能量,DCM代表冷暗物质,这个模型的基础是宇宙大爆炸模型。按照这个理论,我们知道,宇宙起源于138.2亿年前的一场大爆炸。关于这场大爆炸,我们如今所掌握的关键证据一共有三点:

  • 哈勃观测到的星系红移
  • 宇宙微波背景辐射
  • 氦元素丰度
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大爆炸起始于一个奇点,如今的物理学无法描述这个奇点。我们只知道,从大爆炸之后,宇宙空间开始剧烈的膨胀,在极其短的时间内,膨胀到了原来的10^30倍。

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不仅如此,宇宙大爆炸最早的温度也是我们所处的这个宇宙的最高温度,随着宇宙空间的剧烈膨胀,温度开始剧烈下降。在我们如今的认知中,时间变化的最小单位是普朗克时间(5.39^-44s)。

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宇宙大爆炸的第一瞬间的温度就是宇宙大爆炸后普朗克时间(5.39^-44s)对应的温度,这个温度也被称为普朗克温度。我们可以通过理论计算得到这个温度的数值,也就是1.4*10^32K(1.4亿亿亿亿卡尔文),这就是宇宙的最高温度。

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这个最高温度来自于炙热的奇点大爆炸,随着大爆炸的进行,温度一直在下降,到如今这个温度已经很低很低,接近于绝对零度,我们目前还可以利用探测器探测到这个余温,大概是2.7K,仅仅比绝对零度高2.7度,是遍布全天的背景辐射,于是也被叫做宇宙微波背景辐射

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了解了宇宙中的最高温度,那宇宙的最低温度绝对零度又是咋来的呢?

绝对零度

要了解绝对零度,我们就首先需要先了解一下:温度。我们可以先从微观的角度来理解温度。我们都知道万物都是由粒子构成的,比如:分子,原子,电子等等。这些粒子实际上不是一动不动的,相反,它们时时刻刻在动。

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科学家就发现,我们无法一个个去描述这些粒子,只能用统计学的方法,描述整体的情况。当这些粒子整体运动得更加剧烈,那温度就会升高,反之,当这些粒子整体运动得不那么剧烈,那温度就会降低。

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于是,从微观角度来看,我们就会发现,用粒子的平均动能就可以来描述温度的情况。因此,温度的本质实际上是粒子热运动的剧烈程度

了解的微观尺度下温度的定义,我们就不难发现,但粒子的平均动能接近于最小值时,那么对应的温度就应该是最低温度。于是,科学家通过理论计算,其实就可以得到在粒子平均动能最小时,对应的温度是零下273.15度。

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这里要强调一下,很多人会认为,这个绝对零度对应的不就是粒子都不动时的温度吗?粒子都不动,平均动能不也就为0了吗?

答案其实是否定的,绝对零度时,粒子实际上也还在动。按照热力学定律,绝对零度是无法触达的,所以我们测不到绝对零度,只能通过理论得到。而在量子力学中存在着一个基石理论叫做不确定性原理,也有的人把这个理论翻译是叫做测不准原理。这是物理学家海森堡提出来的,他发现,粒子的两个参数,动量和位置是没有办法同时测准的。测准了动量,位置就不准了;测准了位置,动量就没法测准了。

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说白了,我们根本没有办法同时知道粒子的速度和位置,这是由粒子本身的属性所决定。如果粒子静止不动,那我们就可以同时知道它的位置和速度,这是违反量子力学的理论的。因此,实际上,绝对零度时,粒子其实还是在小范围内振动的,而不是完全不动了。

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