【科學科普】人造最高溫度已達10萬億度,但為何達不到-273度的絕對零度

天空之城 2020/12/17 檢舉 我要評論

地球表面存在大量的液態水,因為有著合適的溫度,其主要熱源來自於1.5億公里外的太陽。之所以太陽在那麼遠的地方還能加熱地球,是因為太陽本身非常熱。太陽的表面平均溫度為5500攝氏度,而作為熱量來源的核心區域,那裡的溫度更是達到了1600萬度。

不過,太陽中心的溫度不算什麼,人類可以製造出比這高得多的溫度。 (帶一個中子的氫) 和氚 (帶兩個中子的氫)原子核互相碰撞,可以發生核聚變,形成氦和中子,由此能夠產生高達2億度的溫度,這就是目前還在研發之中的可控核聚變。

2億度的溫度已經非常高了,但人造溫度還能更高。在粒子加速器中,粒子被加速到亞光速,它們獲得了巨大的動能,一旦它們之間發生高速碰撞,就會產生極高的溫度。

目前,人造最高溫度的紀錄是由大型強子對撞機創下的,氫原子核和鉛原子核的高速碰撞製造出了10萬億度的超高溫。在這種高能碰撞中,質子和中子裂解開來,產生了十分特殊的誇克湯,每立方釐米重達400億噸。

已知熔點最高的材料不到5000度,人造溫度能夠達到上億度,之所以容器能夠承受住這種高溫,是因為高溫物體並沒有直接與容器接觸,而是被磁場或者鐳射約束在空中。另外,高溫不一定意味著高熱量。

雖然人造溫度可以達到令人瞠目結舌的10萬億度,但人造的最低溫度卻連零下273.15度都達不到,這是為什麼呢?

事實上,這個問題涉及到溫度的本質。之所以我們能夠感覺到物體有溫度,是因為構成物體的微觀粒子在做熱運動。微觀粒子的平均動能越高,表現在宏觀物體上的溫度也就會越高。

根據狹義相對論的 動能 公式:

即便粒子的品質非常小,但只要不為0,當它們的速度接近光速時,上式分母會接近於0,所以動能可以變得非常大,這樣溫度就能達到極高的程度。

反過來,粒子的動能越小,物體的溫度也就越低。顯然,動能的下限為0,也就是粒子的速度降為0,熱運動完全停止下來。此時,物體的溫度將會達到最小值。在熱力學中,最低溫度被定義為0 開氏度 ,即絕對零度。

然而,絕對零度只是理論上的最低溫度,現實中絕無可能達到,因為這受到了量子力學和相對論的限制。量子力學不允許速度為0的粒子,否則就能同時測出粒子的速度和位置,從而違背不確定性原理。另外,相對論否認絕對靜止參照系的存在,所以粒子必然有某種運動,靜止只是相對的。

絕對零度被定義為0 開氏度 ,這是多少攝氏度呢?

雖然絕對零度無法直接測出來,但根據查理定律——理想氣體的壓強與溫度之比是一個恒定常數(P/T=C),可以結合實驗資料推導出絕對零度為-273.15 ℃。

通過絕熱退磁方法,科學家把一塊金屬 降溫至-273.1499999999 ℃,比絕對零度高了100億分之一度,這是目前最低的人造溫度。無論科學家在實驗室中怎麼嘗試,都沒有辦法讓物體冷卻到絕對零度。

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