為什麼宇宙最高溫是1.4億億億億度,而最低溫是-273.15度

天空之城 2020/09/03 檢舉 我要評論

溫度是人類描述自然界中物質的物理性質的七大物理量之一,它描述的是大量粒子的熱運動的劇烈程度,宏觀上表現為物體的冷熱程度。物質是由大量粒子構成的,溫度本質上就是物質內部分子、原子等粒子的平均動能的體現,體系中的平均動能越高,溫度也就越高。

在我們的認知中,最熱無非就是恒星上。恒星就是一個大火球,以太陽為例,其表面的溫度大約為5500攝氏度,其內部的核心溫度為1500萬攝氏度,而某些超大品質恒星內部的溫度可以達到數10億度。

實際上,宇宙中既存在溫度下限,也存在溫度上限。

溫度的上限

宇宙中的最高溫度是普朗克溫度,它是138億年前宇宙大爆炸開始後第1個普朗克時間內的宇宙溫度。

普朗克時間,即5.4×10^-44秒,這是量子世界中的最小時間間隔,沒有比這更短的時間了。大爆炸發生後的那一個普朗克時間內,宇宙的尺度幾乎為0,宇宙中所有的質能都集中在這個微小的維度內,此時的溫度和壓力也是最高的,這個宇宙中曾經存在的最高溫度理論上可達1.42×10^32攝氏度,即1.4億億億億攝氏度。

宇宙在大爆炸之前還是一個奇點,那時時空曲率無限大,密度無限大,因此有觀點認為宇宙在那時的溫度也是無限高。可在那種狀態下,物質以什麼狀態存在,是否還具有粒子的形態,是否還能保持運動狀態,這些我們都不清楚,這種狀態下應該就不存在溫度這個概念了。

溫度的高低與粒子的熱運動的劇烈程度有關,如果體系中粒子的平均動能無限大,是否意味著溫度就能無限高呢?

如圖所示,不同溫度下粒子的運動速度不同,溫度越高,運動越劇烈。

根據相對論,任何粒子的運動速度都不可能達到或者超過光速,只能無限接近於光速。當粒子的速度趨近于光速時,動能會趨於無限大,按理來說,溫度也會趨於無限大。實際上,在此過程中,粒子的品質也會趨於無限大,當超過某個臨界值時,便會坍縮成為黑洞。此時,物質陷入時空奇點內,也就沒有溫度概念了。這個臨界值便是粒子的普朗克品質,它是粒子的康普頓波長等於其史瓦西半徑時的品質。故而,這個宇宙中的理論最高溫被稱之為普朗克溫度。

溫度的下限

宇宙中的最低溫度是指絕對零度,即零下273.15℃。

靜止是相對的,不存在絕對的靜止狀態。物質是由粒子構成的,而這些粒子在永不停息的做無規則的熱運動。微觀粒子都具有不確定性,其位置和動量永遠處於不斷的變化之中,其平均動能永遠不可能為0。這意味著,任何物質的溫度都不可能達到絕對零度。絕對零度不可達,這便是熱力學第三定律。

如圖所示,在零下200多度的超低溫狀態下,導體將會表現出超導特性。

早在上世紀70年代,科學家便使用鐳射形成光阱,將粒子困在其中,限制其運動,這被稱之為鐳射冷卻技術。它能夠在極小的空間范圍內將物質的溫度降到極其接近絕對零度的狀態,但仍然無法達到絕對零度。在宇宙中,某些星雲的溫度就十分接近絕對零度。

之所以會出現-273.15這個數值,與我們採用的溫標有關。在日常生活中,我們以標準大氣壓下,冰水混合物的溫度為0℃,水的沸點為100℃,正是這樣才有那個-273.15℃。如果我們將絕對零度定義為溫標的零點,那麼宇宙中的最低溫度將是0開爾文,也就不會出現負數了。這種溫標被稱之為熱力學溫標。

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