温度 ,是我们认为规定,用来测量物体内 分子和原子平均动能的物理量 ,一般来说,温度和其动能成正比。
在地球上,自然环境中 最冷的地方是南极洲 ,曾经测得最低温为 零下94.2 ,而最热的地方是位于伊斯兰共和国境内的 卢特沙漠 ,最高温度可以达到71 。
但是这点温度,对于整个宇宙空间来说根本不算什么。
接下来我们就来了解一下,宇宙最高温 1.4亿亿亿亿 和最低温-273.15 有多恐怖?如果达到这个温度,物理定律将全部崩溃,时空也失去意义。
宇宙中所有的物质都是 由各种粒子构成 ,正如前面所说,温度越高的物体, 内部的分子和原子随机运动或振动就会越强烈 ,反之亦然。
因此科学家们根据粒子的运动,并通过实验结合理论,得到宇宙最高温度和 最低温度 。
当粒子停止运动的时候运动的时候,就不再产生热运动,此时也就达到了 绝对零度 ,我们可以用0开尔文表达,也就是 零下273.15 。
而当粒子在运动过程中的,在一定压力下,运动速度接近光速时,能量就会趋于无限大,达到温度极限,也就是绝对的最高温度。
此时的温度可以达到 1.4 10^32开尔文(普朗克温度) ,也就是1.4亿亿亿亿 ,这个温度仅在138亿年前,宇宙大爆炸时,在10^-43秒达到的温度。
在宏观世界中,当物体的内能增加, 分子和原子就会挣脱化学键 ,自由度就会相对变高,而此时物体就会从固态变为液态,最终变成气态。
在地球上,我们对温度的感知还比较强烈,比如当温度为0 时, 冰可以逐渐开始融化 。
当温度达到100 时,在标准大气压下,水会沸腾。
当温度达到500 时, 铁会发出暗红色的光芒 ,1000 时,会发出白色的光芒,达到1538 时,它就会开始融化。
在这之后,铁和其它熔点更好的物质,还可以持续升温,即便最后变成气态也是如此,此时 分子和原子的运动会变得更加猛烈 。
温度开始剧烈增长后
当温度升高至大约5000多 时,就可以达到 太阳表面的温度 ,此时分子会被电离成单个的原子。
电子因为获得了个更高的动能,所以逐渐脱离原子核,变成带正电的原子核和带负电的自由电子,这就是我们所说的 等离子体 。
当温度升高至大约200亿 时,原子核开始被电离,此时其中的 质子和中子会挣脱束缚 ,变成单个自由的粒子。
当温度升高至大约2万亿 时,质子和中子已经失去稳定的结构,它们会被分解成更基础的夸克和胶子。
此时二者就会形成一个致密的等离子体,也就是我们所说的 夸克汤 ,其密度可以达到400亿吨/立方厘米。
在地球上,我们可以通过相对论性重离子对撞机,将粒子 加速到亚光速 ,就可以获得这样的状态。
甚至在 大型强子对撞机 中,通过用高能质子猛烈撞击重原子核,还可以获得温度达到 10万亿 的夸克汤 。
等到温度达到大约2000亿 时,这些带质量的粒子,就会 像光子一样 ,不受质量的约束,开始以光速运行,不过此时的温度 还没有达到宇宙最高温度 。
因为据科学家推算,在宇宙诞生的那天,其膨胀的速度一度超越光速。
当宇宙温度达到1.4亿亿亿亿 时, 宇宙暴涨阶段刚好结束 ,此时真空能量已经衰变到物质中,并产生了所有的物质粒子。
这个过程被科学家们称为 再加热 ,所以最终才能达到普朗克温度。
接下来,再来看一下 绝对零度 。
如前面所说,粒子不再运动, 动能减少为零时 ,对应的温度就会达到零下273.15 。
虽然宇宙曾经达到过极限的最高温度,但是 绝对零度却没有办法达到 。
纵观整个宇宙,尽管我们知道一些恒星的表面温度很高,但实际上宇宙的平均温度却只有 零下270.42 ,这是 宇宙微波背景辐射 的温度。
目前我们在宇宙中发现的最冷的地方,是 回力棒星云 ,这里的温度达到零下272 ,但仍旧比绝对零度高了1.15 。
而这已经是宇宙大爆炸后,留存至今的“热度”了。
曾经科学家通过实验,也曾 无限接近绝对零度 。
目前,麻省理工大学的科学家,还利用激光冷却钾钠气体分子的方式,将其冷却至1 的5000亿分之一,仅比绝对零度 高了百万分之几 。
再往下,科学家也没有办法继续 探索 下去了。
因为所有物质的导热率都会随着温度的降低而下降,那么此时要从其他地方将热量向外传导就需要很长的时间。
并且变化单位温度,吸收或释放的热量,也会 随着温度的降低而减小 ,也就是说,不管是多么微小的行为,都相当于给物质加热。
粒子不会停止运动
因此我们可以说绝对零度是一个理想的、 无法达到的 、完美的冻结状态。
之所以无法达到,在 爱因斯坦 看来,宇宙中不存在绝对静止的参照物,任何物体都处于运动中,静止只能是相对的。
而在量子力学看来,粒子更加不会停止运动,因为根据 不确定原理 ,粒子的位置和动能不会被同时精准地测量出来。
所以这样看来,宇宙中粒子的动能永远大于零,而 温度永远也比绝对零度高 。
在热力学第二定律,也就是 熵增原理 中,宇宙的能量最终会逐渐耗尽,但这仅限于是 有用能量 。
此时它们会逐渐转变为热能,宇宙能够保持最低,但非零的能量状态, 温度虽然会达到热平衡 ,但一定不是绝对零度。
不管是绝对最高温度,还是绝对零度,我们 人类都很难驾驭 。
如果假设可以达到这两个温度,那么我们现存的 物理定律就会全部崩溃 ,而时空也会变得没有意义。
绝对最高温度,是宇宙在大爆炸之初产生的。
现在要达到或超过这一温度,无异于是将整个宇宙都“重启”, 再次经历一次宇宙暴涨 。
而在此之前,时空根本就没法存在,甚至现代物理学的两大基石,相对论和量子力学也会崩溃。
因为如果达到这个温度, 微观量子就会接近静止 ,原子的振动会停止,分子无法进行热运动,而物质也会失去基本的相态。
所有此时,不仅 时间和空间会失去意义 ,整个宇宙空间也会消失。
不过即便如此,科学家对与宇宙温度的研究,始终没有停止,并且在这个过程中,还会不断创新更高级的技术, 创造出更厉害的装备 。
就像在努力达到绝对零度时,科学家们就发现了温度仅为 零下196 的液氮 ,和温度低至 零下253 的液氢 。
现在我们的 火箭常用的燃料 就是液氢,由此可见,科学家们在对宇宙温度的研究中,可以进一步促进对整个宇宙的研究。
通过假设并不断验证的结果,来找到 宇宙及各类天体形成的机制 ,或许还可以找到人类在其他星球上生存的方法。
这样一来,即便最后地球毁灭,人类文明仍然可以继续发展,甚至 还能往更高级的文明进步
对于我们普通人来说,温度的差别不过是零下十几二十度的严冬到零上三十度的夏日之间的变化。但是在这个宇宙中,温度的变化可以令你瞠目结舌。从宇宙最低温到宇宙最高温,你都知道哪些?
毫无疑问,绝对零度就是宇宙的最低温度。用热力学表示就是0开尔文(0K),用温度表示就是-273.15 。
很显然,绝对零度是一个目前不可能达到的理想状态,我们只能尽全力接近这个温度。从微观意义上来讲,绝对零度意味着微观粒子全部停止自由移动,这是我们目前完全做不到的。正因为粒子不作任何运动就是动能最低的状态,没有比不动还低的动能状态,因此绝对零度是不可突破的。
皮是10的-12次方,500皮开尔文就是5*10^-9次方开尔文,已经非常接近绝对零度了,而这也是人类迄今为止创造出来的最低温度。来自美国、德国、奥地利等国家的国际科学家团队首次创造了这样的成绩,这也是人类 历史 上首次将温度降低到1纳开以内。
这是人类在宇宙中观测到的最低温度,来自于距离地球5000光年的旋镖星云。旋镖星云的中心是进入到演化末期的恒星,这种恒星会将物质抛射到宇宙空间,形成巨大的星云。由于膨胀速度极快,导致整个星云的温度急剧降低,只比绝对零度高了1K。
虽然恒星普遍温度惊人、行星的温度也相对适宜,但是毕竟宇宙中绝大部分空间都是相当空旷、没有什么天体的。在这种情况下,宇宙整体的平均温度其实低得令人震惊,只有2.7K,也很接近绝对零度,这个数字是科学家们通过宇宙微波背景辐射探测到的。这是宇宙今天的平均温度,如果一会看到宇宙最高温度,恐怕你会惊掉下巴。
在这个温度下,水银就会变成超导体,也就是传导电流时电阻为零。超导体是一种非常特殊的导体,而4.2K的水银恰恰在1911年成为了人类第一次发现的超导体。超导体对于人类的发展至关重要,但就像水银一样,人类已知的绝大部分超导体都需要极低的温度才行。
近些年来,科学家们在常温超导体方面不断取得突破。2020年10月,美国科学家宣布实现了15 下的常温超导体,但所需压强非常高。常温超导体投入使用,还需要一段时间的研究。
在地球上,没有什么地方比南极更冷了。由于常年没有直射的阳光,广袤的冰川又会将大部分阳光反射掉,因此南极的温度低得惊人。迄今为止,人类记录下的地球最低自然温度就是在南极点测得的-94.5 ,也就是178.45K,不知道这个纪录何时会被打破。
也就是0 ,相信大家也并不陌生,那就是水冰的凝固点。当然这里要有一个限制条件,那就是在1个大气压的情况下,因为不论是冰的熔点还是水的沸点,都会随着压力的变化而变化。
即37 ,是人类的正常体温,不过根据体质的不同,也会有一些小范围的波动。不论是高于正常体温还是低于正常体温,对于细胞都会有所损害,导致人体受到威胁。1980年的时候,有一位美国人因为中暑发烧达46.5 ,24天后退烧,这是人类幸存下来的最高体温纪录。另外,人类幸存的最低体温纪录是13.7 ,但这些都属于奇迹,一般人是承受不了的。
56.7 ,这是有记录以来地球最高自然气温,出现在1913年7月10日的美国加州死亡谷。1922年的时候,利比亚阿兹齐亚地区曾经有过58 的极限高温纪录,但是后来被怀疑极有可能是虚假数据,最终连申请的吉尼斯世界纪录也被取消,56.7 仍是目前公认地球最高气温。
也就是100 ,也就是水的沸点。同样的,这也是要求在1个标准大气压下。我们平时家里用的压力锅,正是因为高度密闭导致锅内压力极高,从而使得水超过了100 还不沸腾,从而以更高的温度炖煮食物使其快速熟烂。在自然环境下,海拔越高的地区空气越稀薄,大气压越小,在高原地区,水甚至在70 就开始沸腾了。
这是太阳核心区域的温度,正是在这样恐怖的温度以及超高的压力配合下,氢才会被迫挤压到一起聚变成氦,从而使得太阳能够发光发热。到了太阳表面,温度就低得多了,大约是5500K,但同样非常惊人。
大质量恒星在进入到演化末期的时候,核心处就会达到这样恐怖的温度。这样的恒星在死亡时会非常剧烈,也就是变成我们熟知的超新星。超新星释放的能量非常惊人,其亮度甚至可以超过一个星系,最终核心会坍缩形成一个中子星或者黑洞。
说起来你可能不信,但这是人类目前制造出来的最高温度。按说这样的温度足以毁灭一切,但由于它只是出现在量子领域,所以并没有伤害我们。2012年的时候,欧洲科学家利用大型强子对撞机中通过高能粒子对撞的时候制造出了持续了仅仅一瞬间的5.5万亿开尔文的恐怖高温。
如果考虑到宏观层面上、持续时间相对可观的条件,那么人类创造的最高温度是大约1亿开尔文,也就是所谓的人造太阳。在这个温度下,我国科学家制造的人造太阳可以稳定运行100秒,韩国科学家在2020年12月创造20秒的成绩,但都远远不足以投入实际生产使用。
1的后面有32个0,你知道这是一个怎样的数量级吗!算下来,这就是1亿亿亿亿开尔文!这样的恐怖温度真的仅仅出现了一瞬间,而且恐怕永远也不会再现,它就是宇宙大爆炸一瞬间的温度。
宇宙诞生之前,所有物质都集中在一个奇点内,没有任何体积,所以密度无限大,温度也无限高。然后,由于一个未知的原因,这个奇点发生了大爆炸,释放出了所有的物质和能量,在宇宙大爆炸的一瞬间,温度大约是1.4亿亿亿亿开尔文。从此宇宙开始不断降温,到了今天降温到仅仅2.7K。
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