人类为什么无法突破绝对零度,却能创造出上亿度的高温?
今天实在太冷了!
不行太热了,我得去买点冰镇饮料降降温!
明天又要降温了!
我们每天都能感受到温度的变化,但温度到底是什么呢?它的本质又是什么?
从物理学来讲,温度就是衡量物体冷热程度的物理量,我们很容易感受到物体是冷还是热,所以,因此温度就是冷热的概念。
不过上面的描述是从宏观上来理解的,而从微观层面来讲,温度是衡量微观粒子运动剧烈程度的物理量,通常指的是分子。
也就是说,物体的温度其实就是分子的热运动产生的,运动越是剧烈,温度就越高。大量分子运动的平均动能的大小,就表现为温度的高低。
地球上有各种极端天气,创造恐怖的高温或者低温。但地球上的最高温并不在地球表面,而是在核心。
地球核心的温度可以达到6000度以上,甚至比太阳表面温度还要高。原因主要在于地球核心的压力极大,温度也就非常高。
不过这个温度与太阳核心温度相比,就是小儿科了。太阳的核心温度可以达到1500万度。但是,即便是这个温度,放在浩瀚宇宙里,也不值得一提,比太阳核心温度高的恒星有很多,因此,科学家们一度认为温度是没有上限的,总会存在更高的温度。
问题来了,温度真的没有上限吗?
刚才讲了,温度其实就是微观粒子运动快慢的直接体现,通俗来讲,温度的高低其实就是微观粒子的动能,也就是速度的快慢。
而爱因斯坦的狭义相对论告诉我们,速度并不是无限大的,速度是有上限的,这个上限就是光速,任何物体的速度都不可能超过光速,所以物体的温度并不能无限高。
通过计算,科学家们得出在宇宙中温度的上限是普朗克温度,它非常高,高得难以想象。但是普朗克温度是不可能出现在现实世界里,因为这个温度只发生在138亿年前的宇宙大爆炸,大爆炸的瞬间产生的温度就是普朗克温度。
根据宇宙大爆炸理论的诠释,138亿年前的宇宙大爆炸只是一个无限小的奇点,这个奇点没有体积,温度密度无限高。
而普朗克温度就出现在大爆炸瞬间,也是宇宙中出现过的最高温度。而奇点可以说是超出我们宇宙的存在方式,我们很难理解奇点到底是什么,简单来讲奇点完全不属于我们的世界。
普朗克温度到底有多高呢?大约1.4亿亿亿亿度,你能想象如此高的温度吗?
说完了最高温,也就是普朗克温度,下面说说最低温,绝对零度。
绝对零度,也就是零下273.15度,是宇宙中的极限低温,科学家早在几百年前就开始研究低温到底有多低。
16世纪的物理学家阿蒙顿认为温度与气压成正比,而气压是有极限值的,所以温度有下限值,他计算出的极限值大约为零下246度。
后来,科学家们又有了新的发现,气体的压力和体积与温度息息相关。随着温度降低或者压力变大,气体的体积就会变小。
科学家总结出来了一条规律,在压强固定的情况下,气体的温度每下降一度,气体体积就会缩小到零度体积的273分之一。
所以,零下273度也被认为是最低温,也就是绝对零度。不过根据热力学第三定律,无论如何都不可能达到绝对零度。
为何绝对零度看似不是很低,人类就是制造不出这种低温呢?
文章开头说了,温度的本质其实就是微观粒子的热运动。理论上讲,当微观粒子完全静止时,体现出来的温度就是绝对零度。
那么问题来了,宇宙中存在绝对静止的物体吗?
对于这个问题,如果说一百多年前还有人质疑的话,随着量子力学的横空出世,相信没有多少人会质疑。
量子力学告诉我们,微观粒子的状态是不确定的,我们无法同时确定粒子的速度和位置,只能用波函数来描述。
微观粒子的位置和速度遵循不确定性原理,两者的不确定性乘积必须不小于一个常数。这就意味着微观粒子的速度不可能为零,因为如果是零的话,就意味着粒子的速度就是确定的,不确定性就是零,这违反了不确定性原理。
同时,粒子也不会完全静止在某个位置不动,我们永远不知道粒子下一刻会出现在哪里,它们甚至可能同时出现在两个不同的地方。
而宇宙万物都是由微观粒子组成的,微观粒子不停地运动意味着物体的温度永远不可能达到绝对零度。
绝对零度,就像光速一样,光速是速度的极限,而绝对零度是宇宙中低温的极限,只能无限接近,但永远达不到,更不可能逾越。
虽然科学家知道人类制造不出绝对零度的环境,但还是想在现实中尝试一下,通过各种科技手段制造出非常接近绝对零度的温度。
目前科学家制造出来的最低温确实无限接近绝对零度,只比绝对零度高了38万亿分之一!看似近在咫尺,事实上是人类永远无法突破的鸿沟!
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