絕對零度-273.15℃有多可怕?光都能被凍結

2021年01月12日09:09:03 科學 1789

“零度”是指攝氏溫標規定的0度,在零度之外有零上和零下之分,而還有一種只有零上沒有零下的零度,它就是開氏微溫標規定的0度,絕對零度。那麼為什麼絕對零度沒有零下呢?要了解絕對零度,首先需要明白溫度是什麼?

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溫度的本質是物體分子運動的劇烈程度。物質內原子、分子等粒子的動能,決定了該物質的溫度,物質的溫度與粒子的動能成正相關,即粒子的動能越高,其溫度越高。舉個不恰當的比喻,你跑的越快是不是越暖和?你以為只有你在動?你身體里的各個小小的粒子也在快速運動。

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理論上來說,在我們的宇宙里。溫度是沒有上限的,太陽的溫度大約為6000度,原子彈爆炸的溫度高達1500萬度,但溫度是有下限的,也就是絕對零度。物體溫度所達到的極限值是個無限靠近又無法達到的值。絕對零度的值為零下273.15度。絕對零度僅僅存在於理論中的下限值,它的熱力學溫標單位為開爾文,開爾文溫標的零點就是絕對零度。或許有人會問,如果溫度瞬間達到絕對零度,生命將會不會終結?

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人類能夠承受的最低溫度,在零下60度到零下70度,超出人類承受的極限,人類就會被凍死。因此,我們只能通過現有的低溫環境來感受一下低溫的可怕,生命存活的低溫度極限為零下170度,這樣的溫度不僅人類生存不了,即便冰河時代的複雜生物也無法生存。研究表明一些簡單生物可以在這種環境下生存,如大腸桿菌、傷寒桿菌以及化膿性葡萄球菌都可以在零下170度下生存。但在更加寒冷的狀態下,它們也將無法生存。

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在寒冷的宇宙空間里,星際塵埃的溫度可以低達零下260度。而在這裡只有塵埃,毫無生命,可見我們還沒有到達絕對零度就已經先凍死了,連最簡單的生命也不能倖免。那麼,如果現有生命一瞬間達到了絕對零度,會不會像是影視劇中那樣瞬間被冰凍起來呢?在極端的世界裡,世界並不是我們常人所預想的那樣,不會被瞬間冰凍起來,在經典熱力學中絕對零度狀態下,所有的熱運動都會停止物質的性質和狀態會發生讓人意想不到的變化。

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物質密度歸於零,一切靜止沒有運動,沒有能量的釋放和輸入。在沒有密度的世界裡,所有的物理規律都將不再起作用。就連宇宙運行的主導者引力也會不復存在。絕對零度是一種粒子動能低到量子力學的最低點時,分子幾乎不做運動。此時,物質呈現的不是我們常見的液態、固態和氣態,它們會聚成唯一的超原子,如果可以看到看起來就像是一個單一的實體。粒子不能完全靜止,絕對零度也就無法達到。在量子力學看來,所有的粒子狀態都是不確定的,它的能量和動量都是不確定。如果粒子絕對靜止,那麼量子力學的理論就不再適用,一切都是動量和能量都變得可測,然而這是不可能的。

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目前人們創造出的最接近絕對零度的低溫,距離絕對零度之差三千萬分之一度,但也只能無限接近,卻不可能真正得到絕對零度。既然生命無法在低溫下生存,光不是生命,在絕對零度狀態下是什麼樣的呢?目前我們所知的主要形態有氣態、液態和固態。最常見的三種,另外還有不常見的費米子凝聚態和等離子態,以及玻色愛因斯坦凝聚態。波色愛因斯坦凝聚態是玻色原子,在冷卻到接近絕對零度時穿線的超流性物質狀態,在絕對零度的世界中不存在光。

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因為有光就必然有能量輸入,而絕對零度狀態是絕對不會有能量輸入的。如果溫度可以無限接近絕對零度,那麼有沒有被凍住的可能性?答案是肯定的,光是由光子組成的,光子是玻色子,在無限接近絕對零度時會形成原子超流體,畫面會如水銀傾瀉一般,絕對零度狀態下,物質變化具有無限潛力,在絕對零度狀態下還存在一種能量及真空能量。理論上來說,在真空狀態下,任何能量都應消失,但仍存在一種特殊的能量,就是真空零點能,只在絕對零度下,粒子振動的最基本的能量。在絕對零度狀態下,量子真空是沒有任何實體的物質狀態,它的能量場和物質運動處於最初始的狀態,這種狀態太具有無限變化的潛在能力。

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科學家們希望通過對低溫的研究,觀察物質在低溫狀態下會呈現出怎樣的物理特性。首先提出絕對零度的人是化學家之父一一波義耳。他因觀察到硝酸鉀,俗名硝石溶解於水而吸收了大量的熱,而認為地球內部存在一種最低溫度。現在看來此觀點並不正確。卻也是為人類物理學的一個領域提出了一個開端。例如地球是宇宙中心這一學說雖不正確,卻也為後世天文學做了貢獻。

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縱然他不是正確的認識,但他標誌着一種對絕對零度的探索。在焦耳等人對熱力學進行深入研究後,凱爾文給出結果,也就是現在的絕對零度的定義。對於絕對零度的研究證實了宇宙大爆炸理論的正確性。在我們肉眼看不見的某個宇宙的一角,一個名叫回力棒星雲的地方。那裡溫度為零下272度,是宇宙自然中最接近絕對零度的地方。布莫讓星雲的溫度僅僅比絕對零度高大約一度。

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這裡的熱度是自宇宙大爆炸,留存至今的是宇宙大爆炸理論的強有力證據。雖然無法達到絕對零度,但是絕對零度的研究還是給人類帶來了很多理論成果。為科學家們對這個宇宙的研究提供了很多強有力的依據,為人類的將來帶來了更多的可能性。


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