高温也存在上限,它是宇宙最初的温度,也是孕育出宇宙的温度。绝对零度虽然是低温的极限,但只是理论值,永远不可能达到。下面我们来聊聊怎么回事:

什么是绝对零度

在冷水中倒入热水,冷水会变热,称为温度的变化,即热水把自己部分热量传递给了冷水。下面做个试验,在冷水与热水中滴入墨水。

图:左边热水(温度高),右边常温水(温度低)。

实验中后滴入墨水的热水,墨水扩散速度反而更快,这说明烧杯中温度更高的水分子运动速度更快。温度是表述物质的冷热程度的物理量,但其本质是描述物质的平均动能。

简单理解:车子停在你面前,对你毫无威胁可言,但如果行驶在高速公路上,它就具备了很高的能量,这就是动能。

当分子速度为零,也就不具备动能,那么物质就达到了最低温度0K(K,热力学温度单位开尔文),即绝对零度,换算成摄氏度为-273.15度。

绝对零度无法达到

冰冷的冥王星,离太阳较远,最低温度可达到-248度。太空的背景温度为-270.3度,约为3K。宇宙诞生时温度极高,随之发生了爆炸,迅速膨胀,就像是炸弹爆炸,核心高温,随着能量向外扩散,从微小的空间释放到更大的空间,温度逐渐冷。

宇宙大爆炸138亿年后的今天,宇宙空间中的余温冷却到了3k,天文学中称为宇宙微波背景辐射(能量以电磁波的形式向外辐射)。

距离地球5000光年的“布莫让星云”,宇宙自然形成的“极地”,最低温只有-272度,比宇宙背景还低两度,比绝对零度高一度。这是不正常的,比如室温20度,屋里静置的水,无论如何也不可能低于20度。

布莫让星云是演化到末期的恒星以164km/s向外抛洒的气体分子所形成的星云。科学家分析,太空接近于真空,因此热传递慢。星云在内部的压强作用下会在真空中膨胀。就像爆炸的过程:气体绝热膨胀,体积增大,温度就会下降,因此温度低于背景温度。

实验室中创造的最高纪录是0.5*10^(-7)K,却无法达到0k。因为绝对零度,意味着绝对静止,万物都是相对的,你不动,地球也在动,因此你测不到。

量子力学中,测不准原则描述了你无法同时测得粒子的位置与动量,而绝对静止意味着速度为零、动量为零,显然是不可能存在的,因此绝对零度可以无限接近,但永远达不到,因为组成物质的基本粒子要维持量子特性。

宇宙中存在最高温度

既然运动决定温度,如果分子速度无限快,动能无限大,温度不就可以无穷大了?既然是物质就要遵守物质的基本法则,物质的速度是有极限的。

《狭义相对论》中描述了信息、能量的传播无法超越光速,静止质量不为零的物质无法达到光速,只能无限接近,因此温度也有了上限。

除此之外,宇宙万物都源于最初那场炙热的能量喷发,因此最高温就是把整个宇宙压缩回去,在那个极度致密,快要井喷之时所具有的温度。

普朗克温度

物体辐射出的电磁波,波长越短,能量越大,辐射温度也就越高。在黑体辐射理论中,物理学家普朗克发现了能量不是连续的,而是一份一份的。每一份不可能再分割的最小单位称之为量子。

量子的出现意味着时空也并非连续的(测不准原理、波粒二象性),因此普朗克计算出了空间的最小尺度“普朗克长度”,时间的最小尺度“普朗克时间”,而宇宙大爆炸开始后的普朗克时间内,释放出的电磁波(光)就是宇宙第一份最炙热的能量,电磁波的波长为普朗克长度,辐射温度为普朗克温度,它就是宇宙的最高温度,数值为1.41 x 10^32 K(1.41亿亿亿亿K),除非再来一次宇宙大爆炸,否则无法达到宇宙最高温。

太阳核心温度约为2000万℃,人类的最高纪录是欧洲核子研究中心,大型强子对撞机制造出的“迷你大爆炸”,达了10^13k(10万亿K),只有普朗克温度的千亿亿分之一。

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