为什么宇宙最低温只有-273.15度,最高温却高达1.4亿亿亿亿度?

魅力科学君 2024-07-23 16:55:27

为什么宇宙最低温只有-273.15度,最高温却高达1.4亿亿亿亿度?要回答这个问题,我们需要先来了解一下温度的本质到底是什么。

简单来讲,我们所能看到的任何物体,其实都是由大量的微观粒子构成(例如分子、原子),这些微观粒子每时每刻都在做无规则的运动,这也被称为热运动,而一个物体的温度,其实就是指其内部微观粒子热运动的激烈程度,物体的温度越高,就意味着其内部微观粒子的热运动越激烈,反之亦然。

所以一个简单的道理就是,当一个物体内部所有的微观粒子全部都处于静止状态时,就达到了最低的温度,而这样的温度也就是宇宙中的低温极限。那宇宙最低温为什么不是0度,而是-273.15度呢?其实这不难解释。

通常我们使用的温标是摄氏温标,在摄氏温标被提出的时候,人们还不清楚温度的本质,而是以水的凝固点和沸点作为依据,具体来讲就是,在一个标准大气压下,水的凝固点计为0摄氏度,水的沸点计为100摄氏度,两者之间平均分为100份,每一份就是1摄氏度。

后来人们在研究气体的“热胀冷缩”现象时发现,在压强恒定的情况下,气体的温度每升高或降低1摄氏度,其体积总是会增加或减少一个固定的值,在经过多年的实验和总结之后,这个“固定的值”被精确到“气体在0摄氏度时的体积的273.15分之1”。

人们就想,假如在压强恒定的情况下,有一团温度为0摄氏度的气体被不断降温,那么当温度降至-273.15摄氏度的时候,这团气体的体积岂不是就变成零了?很显然,一团体积为零的气体是不可能存在的,所以-273.15摄氏度就被认为是一种不可能达到低温极限,最多也就只能接近这个温度。

于是后来出现的热力学温标,就将-273.15摄氏度直接设为0K(注:K即“开尔文”,是热力学温标的单位),这也被称为“绝对零度”。

也就是说,通常我们所讲的“宇宙最低温只有-273.15度”,其实是指-273.15摄氏度,而如果我们使用热力学温标来描述,那宇宙最低温其实就是0K。由于宇宙中不可能存在完全静止不动的微观粒子,因此我们最多也就只能接近这个温度,而不能达到这个温度,更不可能低于这个温度。

好的,现在我们再来看看宇宙的高温极限。正如前文所言,温度的本质是物体内部微观粒子热运动的激烈程度,这也意味着,温度其实就是这些微观粒子平均动能的标志,即:一个物体内部的微观粒子平均动能越高,其温度就越高。

根据狭义相对论,对于任何具有静止质量的粒子而言,其运动速度最多只能无限接近光速(真空光速,下同),却不可能达到或超过光速,而在不断接近光速的过程中,粒子的动能也会持续提升,越接近光速,动能提升的幅度就越大,并且没有上限。

(↑图为相对论动能计算公式,其中的m0、v和c分别代表物体的质量、速度以及真空光速)

所以从这方面来讲,温度应该是没有上限的,那为什么会说宇宙最高温有1.4亿亿亿亿度呢?其实这是因为这是现代物理学所能描述的极限。

在现代物理学中,空间有一个不可分割的最小单位,这被称为“普朗克长度”,其数值大约为1.6 x 10^-35米,而从理论上来讲,只要一个物体的温度高于绝对零度,它就会向外释放出电磁波,其波长与物体的温度存在着确定的关系,即:物体的温度越高,其释放出的电磁波的波长就越短。

这就意味着,从理论上来讲,当物体的温度升高到超过一个特定值的时候,其释放出的电磁波的波长就会小于“普朗克长度”,这就超过了现代物理学的极限,也就没有了意义。所以这个“特定值”其实就是现代物理学所能描述的最高温度,这也被称为“普朗克温度”,其数值大约为1.4 x 10^32K,也就是1.4亿亿亿亿K。

要知道热力学温标只是将摄氏温标中的-273.15摄氏度设为了0K,其单位增量与摄氏温标其实是相同的,两者之间可以用“K = ℃ + 273.15”来进行换算,对于“普朗克温度”来讲,这样的差异完全可以忽略不计,因此说这种温度是1.4亿亿亿亿摄氏度,也没有什么问题。

值得一提的是,虽然宇宙最低温是无法达到的,但理论上的宇宙最高温却有可能存在过,因为根据大爆炸宇宙论,在“宇宙大爆炸”发生后的1“普朗克时间”(时间的最小单位,约为5.39 x 10^-44秒)之内,宇宙的温度就是“普朗克温度”。

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评论列表
  • 2024-07-25 11:50

    没有物质了

  • 2024-07-24 19:49

    高温无上限,低温同。

    相信科学的刘禅 回复:
    无知无畏[点赞][鼓掌]
  • 2024-07-25 20:50

    无论是低温还是高温,我们只了解到的只是表象,

  • 2024-07-25 19:49

    众所周知,一切物质都会有三种状态:气液固。随着温度的升高,固化液,液化气。所谓的最低温度只不过是因为所有的气体的动能为零的一种表达方式即固态。假如有一个特殊的“源”在它周围的一切固态物质,你无论给它或其周围的物质如何加温如何地注入大量的能量,它们依然是固态的,那么个“源”的温度到底是多少?

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