1. 冷知识网首页
  2. 百科

为何宇宙最高温是1.4亿亿亿亿度,而最低温是-273度?

温度是人类描述自然界中物质的物理性质的七大物理量之一,它描述的是大量粒子的热运动的剧烈程度,宏观上表现为物体的冷热程度。

温度是人类描述自然界中物质的物理性质的七大物理量之一,它描述的是大量粒子的热运动的剧烈程度,宏观上表现为物体的冷热程度。物质是由大量粒子构成的,温度本质上就是物质内部分子、原子等粒子的平均动能的体现,体系中的平均动能越高,温度也就越高。

在我们的认知中,最热无非就是恒星上。恒星就是一个大火球,以太阳为例,其表面的温度大约为5500摄氏度,其内部的核心温度为1500万摄氏度,而某些超大质量恒星内部的温度可以达到数10亿度。

为何宇宙最高温是1.4亿亿亿亿度,而最低温是-273度?

实际上,宇宙中既存在温度下限,也存在温度上限。

温度的上限

宇宙中的最高温度是普朗克温度,它是138亿年前宇宙大爆炸开始后第1个普朗克时间内的宇宙温度。

普朗克时间,即5.4×10^-44秒,这是量子世界中的最小时间间隔,没有比这更短的时间了。大爆炸发生后的那一个普朗克时间内,宇宙的尺度几乎为0,宇宙中所有的质能都集中在这个微小的维度内,此时的温度和压力也是最高的,这个宇宙中曾经存在的最高温度理论上可达1.42×10^32摄氏度,即1.4亿亿亿亿摄氏度。

为何宇宙最高温是1.4亿亿亿亿度,而最低温是-273度?

宇宙在大爆炸之前还是一个奇点,那时时空曲率无限大,密度无限大,因此有观点认为宇宙在那时的温度也是无限高。可在那种状态下,物质以什么状态存在,是否还具有粒子的形态,是否还能保持运动状态,这些我们都不清楚,这种状态下应该就不存在温度这个概念了。

温度的高低与粒子的热运动的剧烈程度有关,如果体系中粒子的平均动能无限大,是否意味着温度就能无限高呢?

为何宇宙最高温是1.4亿亿亿亿度,而最低温是-273度?

如图所示,不同温度下粒子的运动速度不同,温度越高,运动越剧烈。

根据相对论,任何粒子的运动速度都不可能达到或者超过光速,只能无限接近于光速。当粒子的速度趋近于光速时,动能会趋于无限大,按理来说,温度也会趋于无限大。实际上,在此过程中,粒子的质量也会趋于无限大,当超过某个临界值时,便会坍缩成为黑洞。此时,物质陷入时空奇点内,也就没有温度概念了。这个临界值便是粒子的普朗克质量,它是粒子的康普顿波长等于其史瓦西半径时的质量。故而,这个宇宙中的理论最高温被称之为普朗克温度。

温度的下限

宇宙中的最低温度是指绝对零度,即零下273.15℃。

静止是相对的,不存在绝对的静止状态。物质是由粒子构成的,而这些粒子在永不停息的做无规则的热运动。微观粒子都具有不确定性,其位置和动量永远处于不断的变化之中,其平均动能永远不可能为0。这意味着,任何物质的温度都不可能达到绝对零度。绝对零度不可达,这便是热力学第三定律。

为何宇宙最高温是1.4亿亿亿亿度,而最低温是-273度?

如图所示,在零下200多度的超低温状态下,导体将会表现出超导特性。

早在上世纪70年代,科学家便使用激光形成光阱,将粒子困在其中,限制其运动,这被称之为激光冷却技术。它能够在极小的空间范围内将物质的温度降到极其接近绝对零度的状态,但仍然无法达到绝对零度。在宇宙中,某些星云的温度就十分接近绝对零度。

为何宇宙最高温是1.4亿亿亿亿度,而最低温是-273度?

此图为激光冷却技术原理示意图。

之所以会出现-273.15这个数值,与我们采用的温标有关。在日常生活中,我们以标准大气压下,冰水混合物的温度为0℃,水的沸点为100℃,正是这样才有那个-273.15℃。如果我们将绝对零度定义为温标的零点,那么宇宙中的最低温度将是0开尔文,也就不会出现负数了。这种温标被称之为热力学温标。

为何宇宙最高温是1.4亿亿亿亿度,而最低温是-273度?

结语

简单来说,温度与基本粒子的运动快慢有关,下限就是粒子停止运动,上限就是粒子的运动极限。但不管是最高温,还是最低温,都只能存在于理论上。

不过,目前还没有实验能够使物质的温度降到绝对零度,正如还没有发现物质的运动速度能够超过真空中的光速,所以这个观点还是十分牢靠的。

为何宇宙最高温是1.4亿亿亿亿度,而最低温是-273度?

相较之下,目前在实验室中所达到的最高温度是欧洲强子对撞中心粒子碰撞时所产生的温度,高达10万亿摄氏度,但与理论上限相差甚远。其实,永远不可能再现宇宙大爆炸那一刹那所存在的历史最高温了,除非再来一次宇宙大爆炸。

我是科学探索菌,想了解更多精彩内容,快来关注我吧!

冷知识网文章,如若转载,请注明出处:https://www.lengzhishi.net/119966.html

发表评论

电子邮件地址不会被公开。