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宇宙最高溫可達1.4億億億億度,為何最低溫度僅為-273.15℃?
2023/08/10

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多年來科學家對于宇宙溫度的數值的推斷,上限趨于不斷提升的態勢,目前認定的宇宙最高溫度為 1.4億億億億度下限卻一直固定在-273.15℃,這二者之間顯著的差距不由使人感到疑惑,為什麼宇宙的最低溫只能是-273.15℃呢?這一數值又是如何得知的?最低溫度的記錄在未來會被打破嗎?

帶著這些疑問,我們一起走進宇宙「忽冷忽熱」的進化史,來看看-273.15℃下的世界是什麼模樣的? 萬事萬物在這之下會不會處于「絕對靜止」?

溫度到底是什麼?

普通人感知和定義溫度的方式比較簡單粗暴,我們時常只 用冷和熱來定義溫度,至于用什麼感知?當然是用自己的身體實測了,比如讓你冬天穿著短袖出門,那你肯定是不願意的,因為你的身體對冬天的「寒冷溫度」

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有著清楚的認知,這種認知牢牢地刻在了你的腦海中。

其實溫度本身是一種物理量,現在的物理學家認為溫度的詳解應該是 「物質熱運動的物理量」,這種說法告訴我們溫度是依賴物質存在的,假如沒有物質那麼溫度也就沒有意義了,可見在 宇宙大爆炸產生物質之前,宇宙當中不僅沒有時間、空間,也 沒有溫度,溫度其實和它們二者類似,都是宇宙中的一個尺度。

溫度的測量只能通過物體的某些變化特徵來判定,這種測量方式是間接測量,而 度量溫度的尺規叫做溫標,溫標有許多個等級,比如有開爾文單位、華氏溫標、攝氏溫標、列氏溫標等等。開爾文單位最為特殊,因為它以絕對零度作為起始溫度,這一溫度常使用符號K表示。

開爾文溫度和人們習慣使用的攝氏溫度相差一個常數273.15,即=+273.15(是攝氏溫度的符號)。

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我們在日常生活中經常使用到的溫標則是攝氏度,這一溫標 將標準大氣壓之下的冰水混合物作為起始溫度,也就是0度,需要注意這裡對于0度的定義已經發生了變化,完全不同于開爾文單位。華氏溫度則是美國和一些歐洲國家常用的溫標,它的表示符號為℉。

對于溫度的測量方法也有很多種,比較常見的就是接觸式測溫法,這種方法通常會 使用測溫設備與待測物件直接接觸。像我們在發燒時使用的傳統溫度計就是利用了這種方法,不過這種方法常常會因為接觸不良而使得測量結果出現誤差,這可能就是為什麼醫生囑咐將溫度計放在腋下時不能亂動的原因。除了這種方法之外,還有 非接觸式測溫法,不過這種測量方法的 誤差更大

宇宙最高溫1.4億億億億度

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對于宇宙何時誕生又是怎樣誕生這一問題,一直以來都是科學界在孜孜不倦探索的,目前廣受認可的就是「宇宙大爆炸起源論」,並且這一理論在多年以來也得到了許多的證據支援。因此在進行了多次推導和計算之後, 科學家們認為宇宙最高溫度為1.4億億億億度,它的出現時間是宇宙大爆炸的那一刻,這也是理論上宇宙的最高溫度。

上文中我們在介紹溫度的基本概念時有提到,溫度從微觀上來看實際上就是 物體分子運動的劇烈程度。因此如果宇宙的誕生真的是起源于那場大爆炸,那麼在爆炸起始物質運動的頻率一定是 「無限大」的,而 溫度與物質運動的頻率呈正比,所以說 宇宙的最高溫是誕生之始的溫度並無差錯

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宇宙大爆炸之初的溫度雖然達到了1.4億億億億度,但是在這之後溫度就開始下降,比如 在大爆炸發生的10-32秒後,溫度就降到了1億億億度。科學家指出,在宇宙爆炸的早期,由于 溫度實在是太高了,電子是無法和原子核結合成為原子的,無數的電子在宇宙當中遊蕩,成為了 等離子體。這是熱氣騰騰的宇宙,就像是裝滿混沌物體的一口大鍋。

等到宇宙誕生了 38萬年以後, 溫度漸漸降到了6000℃,不少人會發現這時宇宙的溫度已經和太陽表面的溫度十分相似了,因此 原子的形成終于可以順利進行了,宇宙也從一鍋「混沌的粥」變得清明起來了。

原子不受電磁輻射的干擾,聚集起來形成氣體雲團,並在自身引力的作用下開始坍縮,形成第一批恒星和星系。

值得一提的是宇宙從極限高溫降下之後,又開始了升溫,因為

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根據紅移現象我們可以知道宇宙現在仍舊處在膨脹當中,而這種因為 宇宙結構的引力坍縮形成的加熱,在日後會 不斷持續下去

宇宙最低溫-237.15℃

宇宙的最高溫度是1.4億億億億度,最低溫卻只有-273.15℃,上限和下限的差距如此巨大,其實完全是因為 溫度本身就與物質分子運動的速度有關。像宇宙大爆炸初期,所有物質都處在快速運動當中,因此 摩擦力就強,產生的熱量多,溫度自然就高。但是 最低溫,就要求物質的運動趨于靜止狀態,或者說是 物質運動速度最小的時候,這時測得的溫度為-273.15℃,這一溫度一直以來也被稱為 「絕對零度」

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雖然我們根據物質趨近停止運動的狀態推導出了最低溫的數值,但是目前我們 在宇宙當中發現的最低溫度實際上達不到-273.15℃,宇宙當中最冷的地方是 布莫讓星雲,也叫作回力棒星雲或者領結星雲,距離地球大約5000光年,它的溫度是 -272℃

那麼人們是如何發現這個絕對零度值存在的呢?實際上也經歷了漫長的論證過程,在16世紀時,法國物理學家阿蒙通過發現溫度和氣壓之間的密切聯繫,推導出 溫度下降限度在-246℃左右

到了1787年,法國物理學家查理根據氣體體積、氣壓和溫度三者的關係,總結出了一個定律,這就是後來十分出名的查理定律。

查理定律:一定質量的氣體,壓力不變,溫度每降低1℃,氣體體積的縮小為其在0℃時體積的1/273。

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照此推算下去就得到了一個結果,宇宙最低溫度為-273.15℃。

由此可知,絕對零度這一概念與物質本身是相關的, 如果溫度達到了-273.15℃,那麼物質的體積也消失了,沒有物質的存在溫度也不會再存在了,因此大家應該可以理解為什麼最低溫只能無限趨近-273.15℃,而 永遠不可能達到

我們換一種通俗的方法解釋,以大家家裡的冰箱為例,在冰箱的內壁一般有不斷在迴圈的製冷劑,那麼如果想讓冰箱變為絕對零度,就要讓製冷劑的溫度比絕對零度還低。 絕對零度時分子已經完全停止運動,怎麼可能有方法使得分子運動速度比靜止時還要慢呢?這無疑是不可能實現的,因此絕對零度值尚且只存在概念當中。

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