为什么温度最低只有零下273度,最高却能达到1.4亿亿亿亿度?

2022年12月25日21:27:11 科学 1994

综述

太阳通过内核的核聚变反应向宇宙散发源源不断的光与热,加上地球始终以太阳为中心进行着公转运动,所以地球上有了一年四季的变化与冷热交替。

作为地球亿万生物中的一员,我们对温度的高与低有着最直观的感受,比如冬天最冷时东北地区的气温可以低于零下20℃,夏天最热时南方地区的温度可以接近40℃。

而从温度的极限值来看,这不过是极小的温度范围。科学研究发现,最低温度即绝对零度是-273.15℃,最高温度却达到了1.4亿亿亿亿℃。

看起来,最低温度也不是很低,但最高温度却是如此惊人的一个数字,这究竟是为什么?

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温度的本质

要弄明白这个问题,首先我们需要知道温度的本质。

爱因斯坦在其狭义相对论中提出了著名的“时慢尺缩效应”理论,在这一理论中,他阐释了时间与物质运动的关系。简单来讲,一个物体的运动速度越快,那么它所经历的时间也就越短。

实际上,不仅时间与物质的运动存在莫大的关联,其实温度的产生也是源于物质的运动,也就是说,温度的本质就是物质的运动,“摩擦生热”就是一个很典型的例子。

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我们知道,万物皆由微观粒子组成,所以从微观角度来看,温度反映的就是粒子的热运动剧烈程度。

当粒子的热运动速度快的时候,物质的温度就会比较高;当粒子的热运动速度越来越慢的时候,物质的温度也会不断下降;当粒子运动完全停止的时候,物质的温度也就达到了下限,也就是绝对零度。

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最低温度:绝对零度

从理论上来看,宇宙中是存在绝对零度的,而在实际中,绝对零度永远都无法达到,只能无限地接近。

科学研究发现,太空的平均温度是-270.15℃,已经非常接近绝对零度了,但是它却永远无法达到绝对零度。

从温度的本质来看,当粒子的动能为零时才会达到绝对零度,一切能量也会消失。所以,除非某一物体或某一空间中自始至终都不存在任何能量与热量,否则就永远无法达到绝对零度。

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但是,在奇点爆炸之后,宇宙空间的每一处都有能量和热量在运动,所以宇宙永远都无法达到绝对零度。

那么,大爆炸之前的“虚无”是否就处于绝对零度状态呢?答案也是否定的。

这里就不得不提量子力学中的一个基本原理,即“不确定性”原理,也叫“测不准”原理,由德国物理学家海森堡在1927年提出。

“不可能同时以较高的精确度得知一个粒子的位置和动量。——海森堡”

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根据这一原理来看,我们无法同时测准粒子的动量与位置,而如果粒子静止不动了,那么我们就可以同时知道它的位置与动量了,这就打破了“测不准”原理。

因此,即便进入了绝对零度,粒子仍会振动,而不是完全静止不动。也就是说,不管运动是快是慢,粒子都永不停歇,绝对零度只是一个理论上的温度的下限值,现实中不会有这样的温度存在。

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最高温度:普朗克温度

  • 温度有上限吗?

对于人类而言,太阳就是至高温度的代名词了,太阳内核的温度高达1500万摄氏度,表层温度也有近6000摄氏度,而宇宙中质量与温度超过太阳的恒星比比皆是。

既如此,不知道大家是否思考过一个问题:在我们所处的宇宙中,温度有没有上限呢?

从理论上来讲温度是没有上限的,但是温度会有一个临界值,即便温度再高,超过了临界值也就没有意义了。

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这一温度极限也就是“普朗克”温度,任何比普朗克温度更高的物质都没有存在的意义。超过了“普朗克”温度,我们的物理法则也就失效了,除了引力之外任何概念都不会存在。

那么,普朗克温度是如何得到的呢?

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  • 普朗克温度

实际上,普朗克温度是科学家根据计算公式推导得出的,公式如下图所示。

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在这个公式中,Tp代表的就是普朗克温度,c代表真空中的光速,而光速就是理论中速度的极限,因此,计算后得出的数值约为1.4亿亿亿亿摄氏度,这也就自然而然地被定为了温度的上限。

那么,普朗克温度会不会与绝对零度一样,只是一个理论上存在但实际不会达到的数值?

当然不是,虽然在现在的宇宙中我们看不到普朗克温度,但在宇宙大爆炸的第一个瞬间就已经达到了1.4亿亿亿亿摄氏度。

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在大爆炸发生后,随着时间的推移,宇宙的温度一直在冷却,直到30万年后,宇宙温度才冷却到了可以让光线出现的程度,到如今,宇宙温度已经接近于绝对零度。

话说回来,1.4亿亿亿亿摄氏度到底会有多恐怖呢?

要明白普朗克温度的威力,还是要从宇宙大爆炸中来寻找答案。

根据爱因斯坦的质能方程式,我们知道物质与能量是可以互相转化的,但我们可以看到物质转化为能量,却看不到能量转化为物质,这又是为什么?

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其实,这就是因为能量值没有达到转化为物质的要求,我们现在的宇宙就是由瞬间爆发的超强能量转化而来。

在宇宙大爆炸的第一瞬间产生了1.4亿亿亿亿摄氏度的高温,这一超级能量就转化为了宇宙中的各种物质。

需要明白的是,在1.4亿亿亿以的温度下,宇宙得以产生,那么这也就意味着,在这样的温度之下,宇宙也能在顷刻之间被毁灭。

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结语

显而易见的是,无论是绝对零度还是普朗克温度都是极强可怕的存在。

零下273.15℃的绝对零度代表着所有粒子静止不动,任何热量与能量也就不复存在,时间和空间的概念也会消失,不过幸运的是,我们的宇宙永远不会达到绝对零度。

普朗克温度也有着足以形成宇宙的威力,如果未来人类能研究透彻普朗克温度,或许我们就能拥有将能量转化为物质的能力,那么人类就有可能真正成为宇宙的“神”。

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