其实宇宙是存在最低温度的,这个温度就是零下273.15度,同时宇宙也存在一个最高温度,这个温度就是1.4*10^32K(1.4亿亿亿亿度)。最高温度和宇宙大爆炸模型有关。而最低温度其实和热力学、量子力学有关。
今天,我们就来说一说最低温度到底是咋来的?为什么就不是其他的数字,偏偏是-273.15度?
温度
其实要了解最低温度,我们就得先来聊一下:温度的本质到底是什么?
其实在物理学中关于“温度”的定义特别多。我们就来说一个微观世界中,对于温度的定义。具体来说,温度的本质其实就是微观粒子的热运动的剧烈程度。
那该如何去理解这个定义呢?
我们都知道,万物都是由粒子构成的。但是粒子并不是整齐划一地排排队地构成粒子。实际上,粒子更像是杂乱无章的状态。
那问题就来了,那高温和低温有什么区别呢?
其实温度的微观定义是有统计学基础的,意思是说,需要建立在一定足够多的粒子数之上。我们就拿太空来说吧,很多人认为太空的温度是绝对零度。那意思就是说,到了天空中极有可能会被冻死。但实际上,这是有问题的。太空的物质密度极其低,大概就是一立方米只有一个氢原子的水平,所以,体现不出温度来,所以暴露在太空中不会是冻死,而是憋死。而且太空也不是绝对零度,由于宇宙微波背景辐射的存在,这个温度应该比绝对零度高2.72度。
所以,温度要体现出来需要足够多的粒子。而这些粒子的平均动能越高,温度越高,反映出来的现象就是粒子整体上运动得越剧烈,温度就越高。
绝对零度
了解了温度的本质。我们再来看“绝对零度”其实就很好理解了。既然微观粒子的热运动的剧烈程度,在宏观上表现出温度的高低。那如果微观粒子的平均动能为零,那不就没有温度了吗?那这个状态对应的是温度不就应该是绝对零度了吗?
这样的看法也对,也不对。为什么这么说呢?
这是因为微观世界和我们的宏观世界是非常不同的,我们不能用宏观世界的“有色眼镜”来看微观世界的现象。这里不对的情况其实来自于量子力学的基石理论,也就是大名鼎鼎的“不确定性原理”,这条原理是由量子力学的奠基人之一维尔纳·海森堡提出来的。
科学家在上世纪初就发现,在观测电子的时候,你很难同时获得电子的位置信息和动量信息。一旦你先把电子的位置信息测准了,那动量信息就测不准了;同理,当你想测准动量信息,位置信息就不准了。
所以,微观粒子是不太可能静止在那里一动不动,理论上,它们在最低能量状态时,还是会保持着在一定区间范围内的振动。当微观粒子处于这样的状态时,所对应的温度就是零下273.15度,也就是绝对零度。由于这已经是微观粒子的最低能量状态了,没办法再低了,因此,温度不可能再小了。
那问题来了,这个温度真的可以达到吗?
绝对零度能达到吗?
客观地说,按照目前的理论,绝对零度是达不到的,这其实也是热力学几大定律之一的内容。那为什么绝对零度达不到呢?这里其实就涉及到如何降温的问题。
我们一般来说都是利用一个比原来温度更低的温度来给降温。因为自然界有一条能量最低原理,能量会自发地从高能量状态滑向低能量状态。
要达到绝对零度,按照理论来说,就应该拿一个比绝对零度更低的温度来降温,可问题是,绝对零度已经是最低温度了,没办法再往下降了,因此,我们不可能达到绝对零度。
但是理论归理论,这并不是说就意味着我们什么都不能做了。实际上,不信邪的科学家大有人在。很多科学家都向这个理论发起了挑战,在地球上有许多实验室在利用各种办法做低温试验。
如今科学家还没有成功试验绝对零度,但已经十分逼近了绝对零度,但始终也没有能够实现绝对零度。