我們每天都能感受到溫度的變化,但溫度到底是什麼呢?它的本質又是什麼?
從物理學來講,溫度就是衡量物體冷熱程度的物理量,我們很容易感受到物體是冷還是熱,所以,因此溫度就是冷熱的概念。
不過上面的描述是從巨觀上來理解的,而從微觀層面來講,溫度是衡量微觀粒子運動劇烈程度的物理量,通常指的是分子。
也就是說,物體的溫度其實就是分子的熱運動產生的,運動越是劇烈,溫度就越高。大量分子運動的平均動能的大小,就表現為溫度的高低。
地球上有各種極端天氣,創造恐怖的高溫或者低溫。但地球上的最高溫并不在地球表面,而是在核心。
地球核心的溫度可以達到6000度以上,甚至比太陽表面溫度還要高。原因主要在于地球核心的壓力極大,溫度也就非常高。
不過這個溫度與太陽核心溫度相比,就是小兒科了。太陽的核心溫度可以達到1500萬度。但是,即便是這個溫度,放在浩瀚宇宙里,也不值得一提,比太陽核心溫度高的恒星有很多,因此,科學家們一度認為溫度是沒有上限的,總會存在更高的溫度。
問題來了,溫度真的沒有上限嗎?
剛才講了,溫度其實就是微觀粒子運動快慢的直接體現,通俗來講,溫度的高低其實就是微觀粒子的動能,也就是速度的快慢。
而愛因斯坦的狹義相對論告訴我們,速度并不是無限大的,速度是有上限的,這個上限就是光速,任何物體的速度都不可能超過光速,所以物體的溫度并不能無限高。
通過計算,科學家們得出在宇宙中溫度的上限是普朗克溫度,它非常高,高得難以想象。但是普朗克溫度是不可能出現在現實世界里,因為這個溫度只發生在138億年前的宇宙大爆炸,大爆炸的瞬間產生的溫度就是普朗克溫度。
根據宇宙大爆炸理論的詮釋,138億年前的宇宙大爆炸只是一個無限小的奇點,這個奇點沒有體積,溫度密度無限高。
而普朗克溫度就出現在大爆炸瞬間,也是宇宙中出現過的最高溫度。 而奇點可以說是超出我們宇宙的存在方式,我們很難理解奇點到底是什麼,簡單來講奇點完全不屬于我們的世界。
普朗克溫度到底有多高呢?大約1.4億億億億度,你能想象如此高的溫度嗎?
說完了最高溫,也就是普朗克溫度,下面說說最低溫,絕對零度。
絕對零度,也就是零下273.15度,是宇宙中的極限低溫,科學家早在幾百年前就開始研究低溫到底有多低。
16世紀的物理學家阿蒙頓認為溫度與氣壓成正比,而氣壓是有極限值的,所以溫度有下限值,他計算出的極限值大約為零下246度。
後來,科學家們又有了新的發現,氣體的壓力和體積與溫度息息相關。隨著溫度降低或者壓力變大,氣體的體積就會變小。
科學家總結出來了一條規律,在壓強固定的情況下,氣體的溫度每下降一度,氣體體積就會縮小到零度體積的273分之一。
所以,零下273度也被認為是最低溫,也就是絕對零度。不過根據熱力學第三定律,無論如何都不可能達到絕對零度。
為何絕對零度看似不是很低,人類就是制造不出這種低溫呢?
文章開頭說了,溫度的本質其實就是微觀粒子的熱運動。理論上講,當微觀粒子完全靜止時,體現出來的溫度就是絕對零度。
那麼問題來了,宇宙中存在絕對靜止的物體嗎?
對于這個問題,如果說一百多年前還有人質疑的話,隨著量子力學的橫空出世,相信沒有多少人會質疑。
量子力學告訴我們,微觀粒子的狀態是不確定的,我們無法同時確定粒子的速度和位置,只能用波函數來描述。
微觀粒子的位置和速度遵循不確定性原理,兩者的不確定性乘積必須不小于一個常數。這就意味著微觀粒子的速度不可能為零,因為如果是零的話,就意味著粒子的速度就是確定的,不確定性就是零,這違反了不確定性原理。
同時,粒子也不會完全靜止在某個位置不動,我們永遠不知道粒子下一刻會出現在哪里,它們甚至可能同時出現在兩個不同的地方。
而宇宙萬物都是由微觀粒子組成的,微觀粒子不停地運動意味著物體的溫度永遠不可能達到絕對零度。
絕對零度,就像光速一樣,光速是速度的極限,而絕對零度是宇宙中低溫的極限,只能無限接近,但永遠達不到,更不可能逾越。
雖然科學家知道人類制造不出絕對零度的環境,但還是想在現實中嘗試一下,通過各種科技手段制造出非常接近絕對零度的溫度。
目前科學家制造出來的最低溫確實無限接近絕對零度,只比絕對零度高了38萬億分之一!看似近在咫尺,事實上是人類永遠無法突破的鴻溝!