宇宙并不存在最高温度的说法
按照目前的主流理论,宇宙起源于奇点的大爆炸。而奇点具备以下三个特点:
密度无限大;空间曲率无限大;温度无限高。也就是说,宇宙并不存在温度的上限。
随着宇宙大爆炸之后,空间发生膨胀,随着膨胀进行宇宙的整体温度是在逐渐下降的。宇宙大爆炸的余热,我们叫做宇宙微波背景辐射,如今还在宇宙中传播,他们作为背景辐射,目前还保持着2.7K的温度,用我们现在的探测器可以很好地获得宇宙微波背景辐射的信息。
我们也很容易发现,2.7K其实已经很接近绝对零度的,绝对零度在开氏温标下是0K,换算一下我们常用的温标,也就是-273.15℃。
最低温度是咋来的?
既然没有最高温度,那为什么会有最低温度呢?
研究“热运动”的是热力学,而热力学也有几大定律,其中热力学第三定律是这么说的:
不可能通过有限过程,系统冷却到绝对零度。
其实就是在说绝对零度不能达到的,所以宇宙中的最低温度应该就是绝对零度。
可能你要问这到底凭啥呀?其实这背后有坚实的理论和实验作为支持。
在经典物理学当中,温度说白了就是热,本质上是分子的热运动的剧烈程度。也就是说,温度越高,总体上分子的运动得越剧烈,我们可以用分子的平均动能量来衡量,也就是说,温度越高,分子的平均动能越高。
换句话说,对应的最低温度就应该是分子的平均动能降到最低的时候,按照量子力学的不确定性原理,分子和原子虽然还不至于不动,但当温度降低极致时,它们应该是在原地振动的,这时对应的温度就是绝对零度。
不过,绝对零度不可能达到,它只存在理论当中。这是因为,我们对于物体进行降温,最常见的办法就是拿一个温度更低的来匀一匀,如果要用最常见的方式来给一个物体降到绝对零度,这就意味着我们得拿一个比绝对零度的温度还要低的东西来匀。
可问题是,绝对零度已经是理论上的最低温度了,如何再去找比这个还要低的温度的物质?因此,从最常见的方法来看,绝对零度是根本做不到的,这也是为什么会有热力学第三定律的原因。
很多人以为太空是绝对零度的,但并非如此,宇宙其实很空旷的,我们可以根据广义相对论和宇宙学原理推导出宇宙的密度,这个水平大概是一立方米还不到一个氢原子的水平。所以,外太空实际上并不能很好地体现出温度来,原因就是粒子数太少了。所以,太空并不是绝对零度,由于宇宙微波背景辐射的存在,我们甚至可以认为宇宙就是2.7K的。如果有宇航员在外太空遭遇了意外,比如宇航服破了,那宇宙并不是被冻死,而应该是由于气压太低,导致体液沸腾,肺泡破碎而死。
当然,要打破热力学第三定律也可以很粗暴,就是你真的弄出一个绝对零度的物质,那就打破了。这其实和打破相对论是一个道理,相对论的基础假设光速不变原理,推导出信息、物质、能量不能超光速,所以我们只要知道这三者超光速的情况就行。不过,100多年来,还没有人做到这一点。
同样的,挑战热力学第三定律的科学家也有很多,他们试图利用激光还把分子和原子的热运动都减缓下来,但是目前在实验室当中还没有人能做到真的把温度降到最低零度,只是都在无限接近而已。