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为什么宇宙最低温只有-273.15度,最高温却高达1.4亿亿亿亿度?

发布日期:2024-08-24 01:07    点击次数:73

为什么宇宙最低温只有-273.15度,最高温却高达1.4亿亿亿亿度?要回答这个问题,我们需要先来了解一下温度的本质到底是什么。

简单来讲,我们所能看到的任何物体,其实都是由大量的微观粒子构成(例如分子、原子),这些微观粒子每时每刻都在做无规则的运动,这也被称为热运动,而一个物体的温度,其实就是指其内部微观粒子热运动的激烈程度,物体的温度越高,就意味着其内部微观粒子的热运动越激烈,反之亦然。

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所以一个简单的道理就是,当一个物体内部所有的微观粒子全部都处于静止状态时,就达到了最低的温度,而这样的温度也就是宇宙中的低温极限。那宇宙最低温为什么不是0度,而是-273.15度呢?其实这不难解释。

通常我们使用的温标是摄氏温标,在摄氏温标被提出的时候,人们还不清楚温度的本质,而是以水的凝固点和沸点作为依据,具体来讲就是,在一个标准大气压下,水的凝固点计为0摄氏度,水的沸点计为100摄氏度,两者之间平均分为100份,每一份就是1摄氏度。

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后来人们在研究气体的“热胀冷缩”现象时发现,在压强恒定的情况下,气体的温度每升高或降低1摄氏度,其体积总是会增加或减少一个固定的值,在经过多年的实验和总结之后,这个“固定的值”被精确到“气体在0摄氏度时的体积的273.15分之1”。

人们就想,假如在压强恒定的情况下,有一团温度为0摄氏度的气体被不断降温,那么当温度降至-273.15摄氏度的时候,这团气体的体积岂不是就变成零了?很显然,一团体积为零的气体是不可能存在的,所以-273.15摄氏度就被认为是一种不可能达到低温极限,最多也就只能接近这个温度。

于是后来出现的热力学温标,就将-273.15摄氏度直接设为0K(注:K即“开尔文”,是热力学温标的单位),这也被称为“绝对零度”。

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也就是说,通常我们所讲的“宇宙最低温只有-273.15度”,其实是指-273.15摄氏度,而如果我们使用热力学温标来描述,那宇宙最低温其实就是0K。由于宇宙中不可能存在完全静止不动的微观粒子,因此我们最多也就只能接近这个温度,而不能达到这个温度,更不可能低于这个温度。

好的,现在我们再来看看宇宙的高温极限。正如前文所言,温度的本质是物体内部微观粒子热运动的激烈程度,这也意味着,温度其实就是这些微观粒子平均动能的标志,即:一个物体内部的微观粒子平均动能越高,其温度就越高。

根据狭义相对论,对于任何具有静止质量的粒子而言,其运动速度最多只能无限接近光速(真空光速,下同),却不可能达到或超过光速,而在不断接近光速的过程中,粒子的动能也会持续提升,越接近光速,动能提升的幅度就越大,并且没有上限。

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(↑图为相对论动能计算公式,其中的m0、v和c分别代表物体的质量、速度以及真空光速)

所以从这方面来讲,温度应该是没有上限的,那为什么会说宇宙最高温有1.4亿亿亿亿度呢?其实这是因为这是现代物理学所能描述的极限。

在现代物理学中,空间有一个不可分割的最小单位,这被称为“普朗克长度”,其数值大约为1.6 x 10^-35米,而从理论上来讲,只要一个物体的温度高于绝对零度,它就会向外释放出电磁波,其波长与物体的温度存在着确定的关系,即:物体的温度越高,其释放出的电磁波的波长就越短。

这就意味着,从理论上来讲,当物体的温度升高到超过一个特定值的时候,其释放出的电磁波的波长就会小于“普朗克长度”,这就超过了现代物理学的极限,也就没有了意义。所以这个“特定值”其实就是现代物理学所能描述的最高温度,这也被称为“普朗克温度”,其数值大约为1.4 x 10^32K,也就是1.4亿亿亿亿K。

要知道热力学温标只是将摄氏温标中的-273.15摄氏度设为了0K,其单位增量与摄氏温标其实是相同的,两者之间可以用“K = ℃ + 273.15”来进行换算,对于“普朗克温度”来讲,这样的差异完全可以忽略不计,因此说这种温度是1.4亿亿亿亿摄氏度,也没有什么问题。

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值得一提的是,虽然宇宙最低温是无法达到的,但理论上的宇宙最高温却有可能存在过,因为根据大爆炸宇宙论,在“宇宙大爆炸”发生后的1“普朗克时间”(时间的最小单位,约为5.39 x 10^-44秒)之内,宇宙的温度就是“普朗克温度”。

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