宇宙最高温度是1.4亿亿亿亿度,为何最低温却只有蒜头聊科学的回答

www.zhiqu.org     时间: 2024-05-16

为何最低温是-273℃(绝对零度),我们首先需要了解温度的本质。就像我们奔跑时会越来越热,组成这个世界的微观粒子也和我们一样,运动的速度越快,动能越高,物质的温度也就越高。

绝对零度——微观粒子完全静止的温度?

绝对零度,-273.15℃,0K(开氏度),就是微观粒子完全静止后的温度。在此温度下,微观分子没有任何动能和势能,理论上来说,只要存在物质,就不可能到达绝对零度。



在人类生活的这个空间,必定存在能量和热量,并且会不断进行转换而并非消失,因此绝对零度基本不可能实现,就算在宇宙空间,绝对零度也不存在,只有一开始就不存在任何物质、能量的空间,才可以到达绝对零度。

目前科学家发现的最冷之地是 “布莫让星云” ,温度大约是-272℃,只比绝对零度高1℃左右,是目前已知的最冷之地。



无限高温——温度有上限吗?

理论上来说,只要粒子拥有无限的能量,就可以到达无限高的温度。

在地球上,科学家就通过粒子的热爆炸实验,产生过5.5万亿摄氏度的高温,在宇宙中,人类的5.5万亿摄氏度也只是大巫见小巫,目前科学家没有找到任何可以限制温度上升的理论,只要你有足够的能量,温度或许没有上限!

科学家提出过“宇宙种子”的理论,将宇宙级别的能量灌输到一个奇点上,或许可以模拟宇宙大爆炸,创造出一个“子宇宙”。



穿越未来——宇宙未来或许就是绝对零度?

宇宙大爆炸以来,暗能量一直推动宇宙加速膨胀,这个趋势从来没有发生过改变,宇宙的未来会被黑洞占领,而黑洞又会因为霍金辐射而消失,最终宇宙只剩下微观粒子,除非暗能量出现变化,让宇宙产生“大坍塌”。

质子衰变是尚未验证的理论,在正常情况下,质子有可能会自发分解,最终宇宙所有物质都会消失,这时候的宇宙是真正的“虚无”,温度也会到达绝对零度。



宇宙的物质全部消失,至少需要10^39年,那时候的宇宙早已不可能存在生命。

事实上,在整个宇宙的发展历程中,只有1万亿年的时间适合生命生存,生命想要永远繁衍生息,首先需要离开所在的星系,最终需要离开整个宇宙,寻找另外一个适合生存的宇宙。

宇宙留给人类的时间尚且充足,未来人类或许可以完全理解宇宙,创造多个“子宇宙”;或许只能随波逐流,跟随银河系或宇宙一同灭亡...


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。

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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