科学家坚信宇宙中任何物质都不能达到绝对零度

作者: 必德电竞  发布:2019-05-22

宇宙中那么多燃烧的恒星,为什么温度仍然很低,接近绝对零度?

温度的定义是延续了经典物理的概念(更确切的说是经典的热力学与统计物理)。温度定义为系统中粒子(包括分子,原子,电子等等)热运动的大小,更确切的说是系统中粒子动能的大小。宇宙中最高的温度是普朗克温度,也就是1.4亿亿亿亿摄氏度。宇宙中最低温度是逼近绝对零度,也就是逼近-273.15℃。

直接给出答案吧,宇宙中最高的温度是普朗克温度,也就是1.4亿亿亿亿摄氏度。宇宙中最低是逼近绝对零度,也就是逼近-273.15℃。

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因为宇宙曾经达到过最高的普朗克温度,而没有达到过最低的绝对零度。宇宙大爆炸得第一个瞬间的温度就是普朗克温度。

因为宇宙曾经达到过最高的普朗克温度,而没有达到过最低的绝对零度。宇宙大爆炸得第一个瞬间的温度就是普朗克温度。

绝对零度是-273.15℃,也是开氏温标下的0摄氏度,是中存在于理论的最低温度,宇宙空间中任何空间的温度都只能无限接近这个温度,而无法达到或者逾越它。

按照麦克斯韦-玻尔兹曼分布。我们已经知道温度的本质就是微观粒子运动程度的体现。微观粒子运动越剧烈,其在宏观上的表现就是温度越高。

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按照麦克斯韦-玻尔兹曼分布。我们已经知道温度的本质就是微观粒子运动程度的体现。微观粒子运动越剧烈,其在宏观上的表现就是温度越高。

因为在微观的视角下,物质的温度是由组成物质的微观粒子运动速率快慢决定的。微观粒子运动越剧烈,那么相应地宏观上物质的温度也就越高。而绝对零度,也就是物质所有粒子都处于静止状态,不再有任何的运动——由于宇宙中不存在绝对的静止,因此也就无法达到绝对零度。

比如,为什么开水会让你的手感到很烫?那是因为开水内的水分子剧烈运动,当你的手触碰到这些剧烈运动的水分子后,就会吸收它们的动能。导致手中的分子运动程度增大,并且刺激到神经,并感受到了烫。

比如,为什么开水会让你的手感到很烫?

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那么最低温度在理论上就是把微观粒子的运动程度降到最低。理论上最低的温度就是没有物质运动,没有辐射的地方,这就是理论上的绝对零度。不过宇宙中不存在这样的地方。宇宙空间本来就充满着各种电磁波,即便再黑暗的地方,或多或少还是残留着电磁波的。电磁波就具有能量,这些能量就是温度的体现。如果宇宙中存在某一空间,并且完全真空,不存在任何光子。那么这一空间的温度就是绝对零度吗?

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而在宇宙中有许多熊熊燃烧的恒星,在不停地释放出能量,为何宇宙空间的温度仍然普遍很低,接近绝对零度呢?还是从微观的角度来看,那就是宇宙空间中,真空状态下几乎没有任何物质存在,所以也导致宇宙空间中,除了在一些天体附近的地方之外,大部分空间的温度都极低。

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温水水分子示意图

答案当然不是,因为宇宙真空还存在狄拉克之海。也就是说真空不断产生正反粒子对,并迅速湮灭,这就导致真空并不空,依旧存在着物质的运动。除此之外,在普朗克长度级别上,时空并不平滑了,并且存在量子泡沫,并伴随着能量的改变。

那是因为开水内的水分子剧烈运动,当你的手触碰到这些剧烈运动的水分子后,就会吸收它们的动能。导致手中的分子运动程度增大,并且刺激到神经,并感受到了烫。

任何空间或系统,总是存在各种各样的能量和热量,他们相互转化而且永不消逝。除非某个系统或空间从一开始就没有任何形式的能量和热量。这样的系统显然是不存在的。所以实际上,真实世界的最低温度只能无限逼近绝对零度,而不能达到这一数值。

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开水水分子示意图

那么最低温度在理论上就是把微观粒子的运动程度降到最低。

虽然绝对零度不能达到,科学家还是可以通过技术手段去接近这个温度点。主要技术手段有激光制冷和传统的蒸发制冷。既然温度是粒子运动快慢的反应,那么当粒子运动速度接近为零的时候,温度就对应着最低。基于这种朴素的想法,激光冷原子技术应运而生。用多束激光去反方向轰击单个粒子使其减速为零,这样整个系统的温度就接近绝对零度了。

理论上最低的温度就是没有物质运动,没有辐射的地方,这就是理论上的绝对零度。不过宇宙中不存在这样的地方。宇宙空间本来就充满着各种电磁波,即便再黑暗的地方,或多或少还是残留着电磁波的。电磁波就具有能量,这些能量就是温度的体现。

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在人们征服低温的过程中发现了很多有意思的事情。最直观的就是各种气体的液化和固化。此外还有低温超导现象,磁有序现象。因为很多原子或离子都带有磁性,在构成晶体的时候,由于高温的热扰动,使得这些磁矩像气体一样随机排列。当温度降低到某个特定值的时候,这些磁矩就会像原子组成晶体一样有序的排列起来。大部分磁性材料的磁有序都是在低于室温的时候出现的。

如果宇宙中存在某一空间,并且完全真空,不存在任何光子。那么这一空间的温度就是绝对零度吗?

答案当然不是,因为宇宙真空还存在狄拉克之海。也就是说真空不断产生正反粒子对,并迅速湮灭,这就导致真空并不空,依旧存在着物质的运动。除此之外,在普朗克长度级别上,时空并不平滑了,并且存在量子泡沫,并伴随着能量的改变。

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没有哪一片真空区域完全脱离物质的存在。所以实际上,真实世界的最低温度只能无限逼近绝对零度,而不能达到这一数值。

我们也可以根据德布罗意的物质波了解绝对零度

我们知道物质都是波粒二象性的。当然这也包括宏观物体,只不过波粒二象性在宏观世界极其不显著罢了。

按照理论,物质温度越低,其物质波波长就长,物质就更倾向于波,而远离粒子性。

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如果物质的温度不断降低,那么粒子之间的物质波就长到可以大部分重叠了,这时候物质的粒子性就渐行渐远。粒子性地不断消退,意味着物质的运动程度越慢越低。

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理论上,物质的最低运动程度就是波粒二象性完全变成波,而丧失粒子性。但这是不可能的实现的。

就相当往一个体积无限大的盘中先放入一升水,并滴入一滴墨,起初墨水的浓度还是比较显著的。可是随着不断往水盆中加水,只会导致墨水浓度越来越低,墨的存在基本就察觉不到了,就好像物质的粒子性随着波长的增长而很难察觉到。但这不代表这盆水的墨水浓度为0。同理,物质波长很长不代表粒子性就没有了。所以,绝对零度是达不到的。

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宇宙最高就是让微观粒子的运动剧烈程度达到最大值。

通俗一点说,也就是把微观粒子的质量先划分为无数个无穷小量,类似于微积分的概念。每个无穷小的质量以宇宙中最高的速度-光速运动。

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这样一来,也就是微观粒子能达到的最大运动程度。

根据普朗克的温度公式Tp=½。

公式中ℏ为约化普朗克常数,k为玻尔兹曼常数,G为引力常数,c为光速。从公式中可以看出来,引入光速就是确保物质的最大运动程度。

普朗克温度大约是1.416808×10^32K。K为绝对温标。开氏温度与摄氏温度的换算相差一个绝对零度。譬如0k=-273.15℃;1k=-272.15℃;1000k=726.85℃。所以普朗克温度换算摄氏度大约为1.4亿亿亿亿摄氏度。

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