为什么高温无限而低温最低是-273.15℃?

宇宙中的最低温度和最高温度

在我们所在的这个宇宙当中,其实存在着最高温度,同时也存在着最低温度。最低温度其实就是零下273.15度,那最高温度呢?

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最高温度是宇宙才形成时的问题,这个温度达到了1.4*10^32度,也就是1.4亿亿亿亿度,这里多说一句,我们一般用的温度单位是摄氏度,实际上在物理学当中,用到的是开尔文,用符号K来表示。那为什么会有最低温度和最高温度的说法呢?

今天我们就来聊一聊这个话题。

最高温度是咋来的?

按照目前主流的宇宙学理论,我们知道,宇宙并不是永恒的,而是有个起点,这个起点也被我们称为奇点138亿年前,在奇点处发生了一场大爆炸,宇宙从无限小,曲率无限大的空间,开始快速膨胀

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而宇宙大爆炸的那一刻温度是非常高的,按照目前的理论,我们并不知道宇宙大爆炸开始的普朗克时间内的发生了什么。这里我们解释一下什么是普朗克时间,它指的是时间变化的最小时间间隔。也就是说,时间的流逝并不是连续的,而是有个最小的变化单位,每次变化都是这个最小的单位的整数倍。这个普朗克时间是10^-44秒。

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所以,宇宙大爆炸之后的10^-44秒那一刻,宇宙对应着一个普朗克温度,这个温度就是如今我们知道宇宙的最高温度,这个温度是1.4*10^32K。在这之后,宇宙的温度随着空间的急剧膨胀而开始下降,在宇宙大爆炸之后的38万年,宇宙的温度下降到3000K左右,这个时候,宇宙中的原子得以形成,光子可以在宇宙中自由的穿行。因此,这个普朗克温度也被视为温度的上限值

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如今宇宙大爆炸的温度还残存着,这也是宇宙的背景温度,我们管这个叫做宇宙微波背景辐射,这也是证明宇宇宙大爆炸的关键证据,同时告诉了我们许多宇宙演化的证据,是天文学家手中的研究利器。

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围绕着宇宙微波背景辐射,如今已经产生了3个诺贝尔物理学奖了。宇宙微波背景辐射的存在也告诉我们一个关键的信息,那就是宇宙并不是绝对零度,也是有温度的,这个温度就是宇宙大爆炸的余温,如今是2.72K,也就是比绝对零度要搞2.72度。但实际上,如果你拿个温度计去测这个温度,你会发现根本测不出来,这其中有许多原因,但其中一个关键原因就在于温度的定义上。

绝对零度

关于宇宙的背景温度为什么测不出,我们可以结合着绝对零度来说。我们知道,万物都是由粒子构成的,从微观视角上看,温度的本质其实是一种运动,我们定义为微观粒子的热运动的剧烈程度。具体什么意思呢?

实际上,构成万物的粒子并不是整齐划一地排列,它们基本上可以被认定为“多动症患者”,这种运动让我们没有办法直接观测准。

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这个观点,其实我们通过布朗运动就已经间接地观测到了。所谓布朗运动指的是花粉粒子在水分子的撞击下呈现的不规则运动。爱因斯坦甚至用数学语言证明了布朗运动。

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虽然,我们没办法把描绘出每一个粒子的具体运动,但我们可以通过统计学的方法来进行测量。科学家发现,这些粒子整体运动得很剧烈时,温度就会比较高,整体运动得没有那么剧烈时,温度就会比较低

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所以,只有当粒子数量足够多时,才有温度。但是太空真的是超级空旷,平均密度要低于一立方米一个氢原子的水平。因此,拿个温度计根本测不出太空的温度

同样的,根据温度的定义,我们也就容易理解绝对零度是咋得出来的。

具体来说,就是当粒子处于能量最低状态时,所对应的温度,这是在量子力学的理论框架得到的结果,是理论上的温度下限值。我们可以通过理论计算出这个结果,也就是零下273.15度。

那你可能先问了,有没有办法让温度低于绝对零度呢?

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我们可以从两个角度来分析,首先,从理论上是不可能的, 因为在物理学中有个基础理论叫做热力学第三定律,这个定义大概就是不可能透过有限过程使系统冷却到绝对零度。如果能做到绝对零度以下,那就说明理论错了。

那实际操作中,有没有可能做到呢?

其实物理学定律就是用来打破的嘛,没有突破,哪来的新理论?

不过,搞出新理论的前提是扎实的实验证据。因此,有一帮科学家一直在致力于制造出低于绝对零度的温度。不过,到目前为止,还没有人能够做出低于绝对零度的温度,他们只能做到尽可能地接近绝对零度。

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