宇宙最高温度是1.4亿亿亿亿度,为何最低温却只有-273度?
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理论上,温度并不存在上限,温度能够达到任意高的程度,可以远超1.4亿亿亿亿度。但温度存在一个理论下限,大约为-273.15摄氏度。那么,为什么温度没有上限?为什么宇宙中出现过的最高温度是1.4亿亿亿亿度?为什么温度又会有下限呢?
事实上,所有这些问题与温度的产生机制有关系。无论什么物体,从微观角度来看,它们都由原子、分子或者离子组成。根据相对论和量子力学,构成物体的各种粒子不是绝对静止的。因为相对论表明,宇宙中的参照系都是平权的,没有绝对静止的参照系。而且不确定性原理也禁止出现绝对静止的情况,一旦粒子绝对静止,它们的不确定性消失,其位置和动量会被完全确定下来。
因此,粒子必然会做永不静止的热运动。粒子热运动会让宏观物体产生热量,为了衡量这种冷热程度,就需要温度这个参数。粒子热运动的剧烈程度越大,平均动能越大,宏观物体的温度就越高。
理论上,当粒子热运动完全停歇时,温度将会达到最低的绝对零度。根据实验的测量,可以计算出最低温度约为-273.15摄氏度。在热力学中,最低温度被定义为0开氏度。
另一方面,虽然狭义相对论禁止有质量粒子的运动速度达到光速,但这并不意味着它们的动能不会无限增加。根据狭义相对论,随着粒子的运动速度无限趋于光速,它们的动能也会趋于无穷大,所以温度也会随之趋于无限高。
但在宇宙中,温度从来没有达到过无限高。根据标准宇宙模型,宇宙的最高温度出现在138亿年前宇宙创生的最初时刻,这个温度是普朗克温度,其大小约为1.4×10^32度,即1.4亿亿亿亿度。
在普朗克温度下,宇宙中已知的一切物质、原子和基本粒子都无法存在,已知的四种基本力将会统一在一起。在现有的理论中,人类所能理解和描述的最高温度是普朗克温度。如果想要知道比普朗克温度更高的温度是怎样的,需要量子引力理论。但迄今为止,广义相对论还未能完成量子化,它尚未与量子力学相统一。
ㄨ☒宇宙最高温度是1.4亿亿亿亿度,为何最低温却只有-273度?
宇宙中理论最高温度是普朗克温度,指得是宇宙大爆炸开始后的第一个普朗克时间内宇宙的温度,在这个时间段内宇宙的尺寸几乎为零,聚集着宇宙中的总质能,压力和热量几乎都是无限大的,因此这一时间段温度最高可以达到1.42×10^32K(开尔文),也就是1.4亿亿亿亿开尔文
而宇宙中的最低温度指得是绝对零度,实际上是热力学上的最低温度为-273.15℃。从热力学的角度来考虑,一个物体外在体现出温度,那么微观角度上来看与原子、分子的平均动能有关,根据麦克斯韦-玻尔兹曼分布平均动能越高,物质温度就越高。
如果物质微观原子、分子的平均动能有一个最低限制,表现出的温度就是绝对零度。理论上来讲当微观粒子彻底静止的时候温度最低,但是根据量子力学这种情况并不存在。这是理论上的最低温度,现实生活中发现的最低温度是回力棒星云,在半人马座方向距离地球5000光年。温度为-272.15°C,只比绝对零度高个一摄氏度左右。
宇宙中既有最高温度,也有最低温度,这些都有理论上的支持,目前的实际观测发现也是如此,尤其是最低温度打破不了绝对零度。而最高温度是否为1.4亿亿亿亿度,目前就无法确定了,但只能说目前没有发现而已。地球内部的温度可以达到6000开,一般恒星内部温度可以达到十几万开,而超大质量恒星内部温度可以达到数十亿开,但是这些高温与普朗克温度还是差的很远。
再有的是最低温度和最高温度差别很大,主要是与人类设置的“零度”有关,才会体现出最低温度是零下几百摄氏度,而最高温度是零上1.4亿亿亿亿摄氏度。
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温度一直以来是我们感知环境的重要指标之一,在物理学中,温度的上限能高达1.4亿亿亿亿度,甚至更高,而下限却为-273.15℃,那么为什么在数量级上,温度的上限与下限相差如此之大?
这个问题的答案要从温度的产生机制中寻找。
从微观层面上来说,任何物体都是由原子和分子组成,当物质内的分子运动速度越快,温度会越高,分子的运动速度越慢,温度会越低。
量子力学认为,构成宇宙万物的各种微观粒子都拥有不确定性,其位置和动量永远处于变化之中永不停歇。微观粒子不断运动产生的热量使得它们构成的宏观物体也拥有了热量,而“温度”就是表达宏观物体所用的单位。
在标准宇宙模型里,138亿年前宇宙大爆炸那一刻产生的1.4*10的32次方℃是宇宙最高温度,物理学中被称为“普朗克温度”,在该温度下一切熟知的基本粒子以及四大基本作用力都还处于统一状态。
而相比普朗克温度的“有迹可循”,温度的下限-273.15℃却是人类永远无法触及的“”,因为微观世界的不确定性和空间中每时每刻都在发生量子涨落让“绝对静止”成为了不可能。根据热力学第三定律,“绝对零度永远无法达到,只能无限接近,任何空间必然存在能量与热量,也就是真空不空。因此,绝对零度终究是一个遥不可及的梦。。
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大多数人都熟悉绝对零度,它是零下273.15摄氏度,根据我们所知的物理定律,这是有史以来可能达到的最低温度。
这是因为当每一缕热能都被吸走时,这是一个实体所能达到的最冷温度。物理学家承认,他们永远无法达到可想象的最冷温度,也就是绝对零度,很久以前的温度被计算为零下273.15摄氏度。对物理学家来说,温度是原子运动速度的量度,是它们能量的反映——绝对零度是指绝对没有热能可以从物质中提取出来的点。
即使是宇宙中已知最冷的物体不像绝对零度那么冷。
但是绝对热呢?根据传统物理学,这是物质能达到的最高温度,据测量精确到1,420,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000摄氏度。
这当然很荒谬。我们所知道的唯一接近绝对高温的是宇宙大爆炸时的温度。
人类在最高温度的最大成就:5,500,000,000,000摄氏度,科学家通过在瑞士的大型强子对撞机中使铅离子相互碰撞而得以实现。
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不要太纠结于温度的高低,而应该纠结于“温度为何会有上限和下限?”因为温度本身就是人为定义的,冰和水的混合物的问题就是0摄氏度(标准大气压),水沸腾的问题就是100度,这是人为定义的!如果当初定义冰水混合物的温度不是0摄氏度而是一亿亿亿亿度,也未尝不可,那么最高温度就不会如此高了(数值不会很高),而最低温度的数值会看起来很高!
只不过如此定义下对于我们的生活将带来很多麻烦,毕竟我们日常生活中体验的温度基本都在0度上下,没有必要自己给自己增添麻烦,科学和生活都需要简单!
所以问题重点不是温度好低,而是温度为何有限制,为何有上限和下限?
这个下限就是绝对零度,我们都了解这点!为何会有下限呢?不能比绝对零度-273度更低吗?
理论和实际上都是行不通的,因为温度的本质其实就是微观粒子的运动快慢,纯思想实验下,如果微观粒子停止运动了,就能达到绝对零度,但问题就在于微观粒子不可能停止运动,因为不确定性原理决定也这一切,微观粒子的位置永远是不确定的!
而温度不到有下限,也有一个上限,上限就是普朗克问题,那是宇宙大爆炸发生一个普朗克时间之后的宇宙问题,大约为1.4×10^32度,非常高的温度,是最高温度的理论上限值!
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