【科普】為什麼溫度最低只有零下273度,最高卻能達到1.4億億億億度?

綜述

太陽通過內核的核聚變反應向宇宙散發源源不斷的光與熱,加上地球始終以太陽為中心進行著公轉運動, 所以地球上有了一年四季的變化與冷熱交替。

作為地球億萬生物中的一員, 我們對溫度的高與低有著最直觀的感受,比如冬天最冷時東北地區的氣溫可以低于零下20℃,夏天最熱時南方地區的溫度可以接近40℃。

而從溫度的極限值來看,這不過是極小的溫度范圍。科學研究發現, 最低溫度即絕對零度是-273.15℃,最高溫度卻達到了1.4億億億億℃。

看起來,最低溫度也不是很低,但最高溫度卻是如此驚人的一個數字,這究竟是為什麼?

溫度的本質

要弄明白這個問題,首先我們需要知道溫度的本質。

愛因斯坦在其狹義相對論中提出了著名的 「時慢尺縮效應」理論,在這一理論中,他闡釋了時間與物質運動的關系。簡單來講, 一個物體的運動速度越快,那麼它所經歷的時間也就越短。

實際上,不僅時間與物質的運動存在莫大的關聯,其實溫度的產生也是源于物質的運動,也就是說, 溫度的本質就是物質的運動,「摩擦生熱」就是一個很典型的例子。

我們知道,萬物皆由微觀粒子組成,所以從微觀角度來看, 溫度反映的就是粒子的熱運動劇烈程度。

當粒子的熱運動速度快的時候,物質的溫度就會比較高;當粒子的熱運動速度越來越慢的時候,物質的溫度也會不斷下降;當粒子運動完全停止的時候,物質的溫度也就達到了下限,也就是絕對零度。

最低溫度:絕對零度

從理論上來看,宇宙中是存在絕對零度的,而在實際中, 絕對零度永遠都無法達到,只能無限地接近。

科學研究發現, 太空的平均溫度是-270.15℃,已經非常接近絕對零度了,但是它卻永遠無法達到絕對零度。

從溫度的本質來看,當粒子的動能為零時才會達到絕對零度,一切能量也會消失。所以, 除非某一物體或某一空間中自始至終都不存在任何能量與熱量,否則就永遠無法達到絕對零度。

但是,在奇點爆炸之后,宇宙空間的每一處都有能量和熱量在運動,所以宇宙永遠都無法達到絕對零度。

那麼,大爆炸之前的「虛無」是否就處于絕對零度狀態呢?答案也是否定的。

這里就不得不提量子力學中的一個基本原理, 即「不確定性」原理,也叫「測不準」原理,由德國物理學家海森堡在1927年提出。

「不可能同時以較高的精確度得知一個粒子的位置和動量。——海森堡」

根據這一原理來看,我們無法同時測準粒子的動量與位置,而 如果粒子靜止不動了,那麼我們就可以同時知道它的位置與動量了,這就打破了「測不準」原理。

因此,即便進入了絕對零度,粒子仍會振動,而不是完全靜止不動。也就是說, 不管運動是快是慢,粒子都永不停歇,絕對零度只是一個理論上的溫度的下限值,現實中不會有這樣的溫度存在。

最高溫度:普朗克溫度

溫度有上限嗎?

對于人類而言,太陽就是至高溫度的代名詞了, 太陽內核的溫度高達1500萬攝氏度,表層溫度也有近6000攝氏度,而宇宙中質量與溫度超過太陽的恒星比比皆是。

既如此,不知道大家是否思考過一個問題:在我們所處的宇宙中,溫度有沒有上限呢?

從理論上來講溫度是沒有上限的,但是溫度會有一個臨界值,即便溫度再高,超過了臨界值也就沒有意義了。

這一溫度極限也就是「普朗克」溫度,任何比普朗克溫度更高的物質都沒有存在的意義。超過了「普朗克」溫度,我們的物理法則也就失效了,除了引力之外任何概念都不會存在。

那麼,普朗克溫度是如何得到的呢?

普朗克溫度

實際上,普朗克溫度是科學家根據計算公式推導得出的,公式如下圖所示。

在這個公式中, Tp代表的就是普朗克溫度,c代表真空中的光速,而光速就是理論中速度的極限,因此, 計算后得出的數值約為1.4億億億億攝氏度,這也就自然而然地被定為了溫度的上限。

那麼,普朗克溫度會不會與絕對零度一樣,只是一個理論上存在但實際不會達到的數值?

當然不是,雖然在現在的宇宙中我們看不到普朗克溫度, 但在宇宙大爆炸的第一個瞬間就已經達到了1.4億億億億攝氏度。

在大爆炸發生后,隨著時間的推移,宇宙的溫度一直在冷卻, 直到30萬年后,宇宙溫度才冷卻到了可以讓光線出現的程度,到如今,宇宙溫度已經接近于絕對零度。

話說回來,1.4億億億億攝氏度到底會有多恐怖呢?

要明白普朗克溫度的威力,還是要從宇宙大爆炸中來尋找答案。

根據愛因斯坦的質能方程式,我們知道物質與能量是可以互相轉化的,但我們可以看到物質轉化為能量,卻看不到能量轉化為物質,這又是為什麼?

其實, 這就是因為能量值沒有達到轉化為物質的要求,我們現在的宇宙就是由瞬間爆發的超強能量轉化而來。

在宇宙大爆炸的第一瞬間產生了1.4億億億億攝氏度的高溫,這一超級能量就轉化為了宇宙中的各種物質。

需要明白的是,在1.4億億億以的溫度下,宇宙得以產生,那麼這也就意味著, 在這樣的溫度之下,宇宙也能在頃刻之間被毀滅。

結語

顯而易見的是,無論是絕對零度還是普朗克溫度都是極強可怕的存在。

零下273.15℃的絕對零度代表著所有粒子靜止不動,任何熱量與能量也就不復存在, 時間和空間的概念也會消失,不過幸運的是,我們的宇宙永遠不會達到絕對零度。

普朗克溫度也有著足以形成宇宙的威力,如果未來人類能研究透徹普朗克溫度,或許我們就能擁有將能量轉化為物質的能力,那麼人類就有可能真正成為宇宙的「神」。


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