为什么高温无限,而最低温度为-273.15摄氏度?
广义上来讲温度表示物体的冷热程度,在日常生活中最直观感受就是每天的气温高低,例如北方的冬季天寒地冻大雪纷飞温度都是零下二三十摄氏度,而南方的夏季湿润炎热,温度可以飙升到零上三十摄氏度。一般而言人类日常生活环境所能接受的温度极限差不多就是正负三十摄氏度,再高或者低一点人类的身体机能就无法承受了,会出大问题的。
从科学上来认识温度的本质
温度表示微观粒子的热运动的剧烈程度,要知道围观粒子例如分子、原子等,它们不是静止一动不动的,而是时刻处在运动中,这些粒子的平均动能越大就意味着温度越高。在这里提到的是平均动能,因此随便一个粒子运动的最剧烈,并无法代表这个物体的温度。同时从定义上也可以看出来,温度和热量还是有一定差别的。
在这里可能出现一个反常识问题,例如2018年NASA发射了帕克太阳探测器,用来探测收集太阳的一些关键性信息,它也将成为有史以来距离太阳最近的人类探测器,太阳从外到内分别是日冕、色球层和光球层,但是温度却是从高至低的,日冕层的温度可以达到100摄氏度。而帕克太阳探测器最接近太阳的时候可以到达日冕层,但是帕克太阳探测器隔热防护板只能抵抗1400摄氏度高温。
其实有点可以注意就是日冕层温度虽然高,但是热量并不一定是特别高,因为日冕层单位体积内例子数量很少,虽然呈现出很高温,但实际上热量并不高,帕克太阳探测器可以抵抗的住。
那么你思考过最低温度为零下-273.15摄氏度的原因吗?
在前文已经提到微观粒子热运动的剧烈程度是温度的本质,那么温度的高低从内微观角度分析就看微观粒子具备的动能大小了。那么道理就很简单了,按照常规的想法就是粒子静止和光速运动。
先说粒子静止,一个物体静止了速度自然就为零,那么也就没有了热运动,因此说温度有最低下限是正确的,但是微观粒子可以完全的静止吗?其实并不会,没有绝对的静止。而对于微观粒子就需要从量子力学来入手,量子力学中有一个核心的观点那就是不确定性原理,或者称之为测不准原理。那么就按照它字面的意思来解释,测不准自然是无法同时确定粒子的位置和动量,不能说粒子就在某一点,应该说粒子有多大的概率在某一点。
其实问题到这里继续很出现了,如果微观粒子静止运动速度为零,那么其实我们就知道了粒子的具体位置,这样的情况是违反了量子力学的。量子力学和相对论是二十世纪的两大物理学支柱,有着权威性和代表性。那么最低温度其实就是量子力学允许的微观粒子最小平均动能。
最后通过热力学的方式进行计算,得到的数字就是零下273.15摄氏度,又被称为绝对零度(0k),理论上来讲物体的温度只能是无限的接近于绝对零度,但永远无法达到。
高温真的是无限的吗?
如果不从科学的角度来讲,我们的理解中高温就是无限的,多高都行,最后就只剩下数字而已。但实际上高温也是有极限的,我们可以从两个角度来回答这个问题。
首先温度的本质是微观粒子的热运动,那么运动的粒子最快速度只能是光速,也就是有极限的,那也就意味着平均动能也有一个极限,温度就自然有最高限制。但实际上微观粒子也是有静止质量的,有静止质量的物体无法达到光速,理论上来讲,只能无限的接近光速。
其次我们可以从黑洞的角度来考虑,要知道现代的科学理论,遇到了黑洞内部就完全失效了,无法解释黑洞内部真实的状况,例如奇点到底是什么!那么当温度达到一定程度,根据爱因斯坦的的质能方程,这个物体可能就直接塌缩成微型黑洞,温度到极限了。因此说高温是有限制的!
最高温为多少?
目前认为宇宙中的最高温度为普朗克温度,大约是1.4亿亿亿亿摄氏度,还有两个概念普朗克时间和普朗克长度。目前的主流观点认为宇宙是起源于138亿年前的奇点大爆炸,在大爆炸后瞬间的温度是最高的,现代科学对于时间的最小尺度就是普朗克时间,再小就没有意义了,因此说大爆炸后普朗克时间内的温度是宇宙中最高温度,也被称为普朗克温度。
一般来说温度越高的物体辐射的电磁波波长会越短,那么普朗克温度时辐射的电磁波波长也就是普朗克长度了,目前已知有意义的最小长度概念了。
现在唯有弦理论中提出的概念在普朗克长度之下,弦理论认为宇宙的本质都是微小的弦来表示,即使是不同的基本粒子它们也是弦的不同振动模式所表现出来的。弦理论被认为是未来可以容易融合相对论和量子力学的存在,但是目前来看并无法进行实际的验证。
可以说宇宙最高温度为普朗克温度,大约是1.4亿亿亿亿摄氏度,宇宙最低温度为绝对零度零下273.15摄氏度,目前科学家在宇宙中发现的最低温度是回力棒星云,它的温度为零下272.15摄氏度,位于半人马座方位距离我们5000光年。
文/科学黑洞,图片来源网络侵删。