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为什么温度的上限是1.4168×10^32度,下限却仅仅是-273.15度?

为什么温度的上限是1.4168×10^32度,下限却仅仅是-273.15度?
2020年11月25日 08:14 新浪网 作者 数码迷妹

  温度对于我们人类来说是最重要的物理量之一,因为它时时刻刻影响着我们的生活。和温度相比,有很多的物理量虽然重要,但却很难给我们造成直观上的冲击力。比如宇宙常数、弱核力、强核力等等,它们确实也是我们所生存的世界能够存在的基础因素,但是却很难像温度那样,时时刻刻伴随我们人类左右,对我们生活的点点滴滴都产生重要影响。

  

  从宇宙整体,以及物理学上的数据角度来看,我们人类对温度的感受是非常敏锐的。因为在宇宙中,温度的变化幅度非常巨大。哪怕是我们每天生活的地球,它内部核心的温度可以高达6000度,而在地表的绝大部分地方,温度都在那短短几十度的范围内变化。而木星与太阳的核心,更是可以达到数千万度。科学家推测,宇宙中高温最普遍的地方是中子星与黑洞的内部,但是由于黑洞内部存在扭转时空维度的可能性(部分弦理论专家认为,黑洞内部的物理法则可以打破弦结构,从而连接平行宇宙),因此对于黑洞内部是否存在“温度”这样的概念也难以下结论,所以暂时认为中子星是自然界中“高温”的最普遍存在,它们表面的温度就可以突破1亿度,而内部更是达到了60-120亿度的极致状态。和这些温度的变化幅度相比,我们人类在2度的温差中就能感到明显的差异,5度的温差足以让人增加或减少衣物,10度以上就意味着天气的巨大变化了,不能不说是宇宙中对温度非常敏感的存在了。

  

  看到这里,许多人自然地会产生一个疑问:温度的变化存在极限吗?也就是它是否有最大值和最小值呢?

  科学家介绍道,在过去很长时间内,科学界公认的观点是“温度存在最低值,却没有上限”。要知道为什么会这样,首先需要知道温度的本质是什么。在我们的宇宙中,一切物质,不论是恒星、行星这些天体,还是海水、沙滩、生物这些渺小的存在,它们在微观层面都是由各种粒子构成的,这些粒子虽然相互之间以规律的方式构成了各种物质的形式,但是在它们所存在的微观领域内部,时时刻刻也在做着不规则的运动,这种不规则的运动就是温度的本质。当这种运动越剧烈,温度也就越高,所以高温容易使物质变性,因为它带来的微观粒子的剧烈运动打破了粒子之间原本的组织形式。

  

  看到这里,聪明的朋友一定意识到了:当这些微观粒子达到一种“完全静止”的状态时,它所对应的温度也就是温度的下限了。因为从逻辑上讲,没有什么会比“完全静止”的状态更加静止的存在了。科学家介绍道,这种判断有一半对,也有一半错。对的一点在于,温度的下限确实是按照这个规律来预测的,错的地方在于,其实微观粒子永远不可能达到“完全静止”的状态,因为在宇宙中运动是绝对的,而静止是相对的,所以这个“永远无法达到的温度下限”,就成为了在科学家中非常有名的一个概念:绝对零度。它和光速一样拥有着那个神秘的属性:只能无限接近,永远无法到达。它的准确数值是零下273.15度。

  

  目前,科学家观测到宇宙中最冷的星系,平均温度大概只比绝对零度高1度左右,而科学家预测宇宙整体平均温度只比绝对零度高4度。那些动辄亿万度的星球,是宇宙中非常稀少的存在,在接近绝对零度的过程当中,每前进一小步都是非常困难的,所以美国科学家使用新墨西哥州的实验室制造出的零下272.59度的温度,也是人类目前达到的最低温。

  按照这个原理,似乎温度是没有上限的,因为在微观层面,有许多自身不具备“静止质量”的粒子,可以达到远远超过光速的运动状态(相对论定义光速无法超越,仅限宏观层面中具备静止质量的物体,它们之间不存在矛盾),如此一来,也就意味着温度可以无限向上发展。

  

  后来,宇宙大爆炸模型为科学家们带来了另一个概念,叫做普朗克温度。科学家介绍道,因为三维宇宙在最初的奇点状态时,所有物质都聚集在那个无限小的点当中,那里的粒子混乱程度也就是三维宇宙能够达到的最大值,也就意味着它是温度的上限。科学家从这个角度为“温度上限”找到了答案,它具体的数值是1.4168×10^32K,大约就是1.4亿亿亿亿度。不过,这个温度仅仅在宇宙诞生的第一个普朗克时间(时间的最小尺度)内存在,大约是5.4乘以10的负44次方秒,经过这一瞬间,温度的最高值就一去不复返了。

  自此,三维宇宙中温度的最大值和最小值都有了对应的准确数据,它为我们更好地理解自身所生存的宇宙,提供了一个必不可少的视角!

  

  热爱科学的朋友们,你们认为在其他维度的宇宙中,存在比普朗克温度更高的数值吗?

  (来自最初的好奇心不应在繁复的日常中湮灭,关注隔壁青少年说,让我们一起关注那些关于探索的趣事)

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