绝对零度,是热力学的最低温度,但只是理论上的下限值。热力学温标的单位是开尔文,绝对零度就是开尔文温度标定义的零点。0K约等于摄氏温标零下273.15摄氏度,也就是0开氏度,在此温度下,物体分子没有动能和势能,动势能为0,故此时物体内能为0。物质的温度取决于其内原子、分子等粒子的动能。根据麦克斯韦-玻尔兹曼分布,粒子动能越大,物质温度就越高。
物质的温度取决于其内原子、分子等粒子的动能。根据麦克斯韦-玻尔兹曼分布,粒子动能越高,物质温度就越高。理论上,若粒子动能低到量子力学的最低点时,物质即达到绝对零度,不能再低。然而,根据热力学第三定律,绝对零度永远无法达到,只可无限逼近。因为任何空间必然存有能量和热量,也不断进行相互转换而不消失。所以绝对零度是不存在的,除非该空间自始即无任何能量热量。在此一空间,所有物质完全没有粒子振动,其总体积并且为零。
为什么低温只能达到绝对零度-273.15,而高温可以达到亿亿度?
实际上,低温不能达到-273.15℃(绝对零度),而只能无限近似。 宇宙的高温也有上限。 根据量子力学计算,波长的最短空间长度为“普朗克长度”,这可以推断出自然界中高温的最大度为1.41×10 ^ 32k,并且整体高温也不存在 在宇宙中,它仅发生在宇宙出生的大爆炸中。 高温 目前科学家获得的最低温度的世界纪录低于零273.144℃,非常接近“ 绝对零度”。
2014年10月22日,意大利国家核物理研究所宣布,属于意大利人的格兰萨索粒子物理国家实验室的“ 低温地下稀有事件天文天文台” 美国国家核物理研究所创造了一项新的世界纪录,将铜立方体冷却到几乎“ 绝对零度”。 该铜块重400千克,冷却至6毫开氏度,即273.144摄氏度。 铜块被密封在一种“ 低温恒温器”中,“在世界上所有此类设备中都是独一无二的。在尺寸,极限温度和冷却能力方面,它不仅是其他设备所无法比拟的。
“ 绝对零度”是19世纪中叶爱尔兰开尔文男爵威廉·汤姆森(William Thomson)定义的绝对热力学温度。 这是一个理想的理论值,这意味着气体中所有粒子的能量为零。 物质的温度只能无限接近,而不能达到或低于绝对零度。 物质的温度取决于诸如原子和分子之类的粒子的动能。 热力学定律指出,永远不可能达到绝对零度,而只能无限近似。 因为任何空间都不可避免地包含能量和热量,并且它们不断地相互变换而不会消失。 因此,除非空间从一开始就没有能量或热量,否则绝对零度不存在。 在这个空间中,所有物质完全没有粒子振动,并且其总体积为零。
根据麦克斯韦─玻尔兹曼分布,只要分子的内能,动能和势能都为0,就可以达到绝对零度。 但这是不可能的,因为在运动的分子中有质子和中子。 另外,原子核外的电子不能停滞不前,因此分子的动能不能为零。 分子的动能,势能和内能都具有最大极限。 分子由原子组成,原子能具有极限值。 当原子的内能达到某个阈值时,它将以质量能方程的形式释放。 当原子消失时,分子也消失了。 没有分子运动,温度就不再存在。
在现实世界中,要创建接近绝对零度的低温环境,主要技术是激光冷却和蒸发冷却。 中国物理学家朱Di文曾与其他两个科学家共享1997 诺贝尔物理学奖,他们发明了激光冷却和磁阱技术的制冷方法。 因此,绝对零度在理论上存在,但在现实中无法实现。 尽管冷有其极限,但热似乎没有止境。 开尔文介绍了开尔文温度,该温度的最小值为绝对零度。 温度并非没有上限,但是此数字太大而无法实际测量。 太阳中心的问题大约是2000万摄氏度,而美国巨型粒子对撞机可产生高达4万亿高温的能量,但这远没有达到极限高温。
为什么低温只能达到-273.15度,高温却能达到上亿度?
科学常识告诉我们,在自然界中,低温是有限的,也就是说,它只能达到-273.15,但高温没有极限,甚至达到上亿度。这是为什么?冷却技术要求高吗?而加热没有限制吗?
为了理解这个事实,我们必须首先理解什么是温度。我们对温度的理解不同于对温度的科学定义。根据科学来描述温度是指大量粒子的能量。它与大量粒子的平均动能成正比。如果我们理解温度的定义,那么我们就可以理解动能的最小值为零。换句话说,动能达到最低限度,但没有上限,它可以无限地增加。虽然我们认为速度有一个上限,但从数学上讲,当速度接近光速时,动能趋于无穷大。一般来说,只有无限的动能,我们才能有高速度。因此,我们很容易理解温度有一个下限,但没有上限。
既然温度有一个下限,为什么不能设为零呢?事实上,当设置温度时,绝对温度被设置为零。然而,我们通常使用摄氏温度。在这个系统下,绝对零度是-273.15摄氏度。事实上,这是历史遗留下来的温度。当科学家设定摄氏温标时,他们只考虑两个上限和下限。冰水混合物的温度是0摄氏度,沸水的温度是100摄氏度。当时,由于知识、准确性和科技水平等问题,科学家们没有考虑温度的下限。
后来,科学家开尔文设定了开氏温标,给出了更准确的温度科学定义,将0定义为绝对零度。但这之间都只相差了一个常数。不同之处在于有一个下限,但没有上限。开尔文还指出动能有一个下限,但没有上限。什么是绝对零度?即使所有的粒子停止运动并处于静止状态,基本上也没有动能。在宇宙的自然机制中,没有动能的物质是不存在的,所以绝对零度不能达到。那么为什么高温会达到上亿度呢?因为温度与粒子的动能和势能有关,很难达到一个有限的值。因此,不可能确定设定最高温度的具体量。尽管温度看起来很简单,但它包含了复杂的科学真理。温度的上限和下限花费了无数科学家的心血来理解这个事实。
为什么宇宙最低温只有-273℃,而高温却高达1.4亿亿亿℃?
-273.15℃,这个数字本身给我们的感觉并不是很小,但就是这样的数字我们人类也无法企及,只能无限接近。这个温度就是我们常说的绝对零度,也就是0K。
但宇宙中的最高温却能达到1.4×10^32K,这个温度就是我们常听说的普朗克温度,它俩之间的差距为何如此之大?为什么绝对零度我们无法达到,为什么最高温度我们平时很少讨论?
要了解以上的问题,我们首先要了解下温度的概念。
什么是温度?
在宇宙中,有些物理概念是物质的本质属性,例如质量、能量、自旋,就算没有人类物质也具有这些内在的性质。
但有些是人为规定的,例如今天要说的温度,它是人类规定出来测量物体内分子/原子平均动能(内能)的物理量。如果没有人类,说不定外星人可以用其他的方式表示物体内所具有的内能。
换句话说, 温度就是物体内分子/原子随机运动和震动的结果,随机运动和震动的越剧烈说明分子/原子所具有的动能越高,表现出来的温度就越高,反之亦然。
拿一杯水来说,常温下25摄氏度,你滴一滴色素进去,颜色会相对缓慢的散开,而温度越高的水,由于内部分子随机运动的越剧烈,色素会散开的相对较快。
如果我们持续的给这杯水输入能量(加热),由于水分子所具有的动能会不断的提到,到达某一阈值,水分子就会挣脱水的束缚,从表面发生逃逸,这就是水的沸腾。
固体金属也一样,低温时原子被化学键键合在相对固定的位置发生震动,当温度升高时,原子由于获得了足够的动能,就会挣脱化学键,开始随机自由运动,这是金属就被液化,持续加热也会气化。
为什么低温只有-273.15℃,为什么我们人类无法达到最低温?
上文说了,分子/原子的随机运动和震动是产生温度的原因,所以一个物体内所包含的分子/原子只要静止不动,那就没有温度。确实是这样,这也是我们对绝对零度的定义。
所以最低温就是0K,所谓的没有温度,换算成摄氏度就是-273.15,那为什么我们不能让一个物体达到0K呢?
也就是让物体内的分子/原子停止运动!这其实又涉及到了宇宙中一个本质的问题,量子力学是描述微观世界的一套法则。
人们发现微观世界存在本质的不确定性,组成物质的粒子其动能和位置不能同时确定,它俩测量的乘积一定大于普朗克常数的1/2。
因此物质粒子是不会停止运动的,如果停止它的位置会充满不确定性,如果位置确定,它的动能就可能是0到无穷大,这明显互相矛盾。
基于不确定性原理,所以人类无法创造出绝对零度的物体,只能无限接近。
为什么宇宙中的最高温却能达到1.4×10^32K
看了上文你应该也知道了只要让物质粒子拥有越来越高的速度,那么它的动能也就越高,相应的我们测量它的温度就越高。
由于现实生活中的物质粒子都在低速状态下运行,所以我们就距离最低温度比较近,离最高温度比较远。
我们知道有质量的粒子无法达到光速,只能无限接近,那么这是不是就是最高温度极限的定义?并不是的,普朗克温度1.4×10^32K,指的是宇宙诞生后第一个普朗克时间(10^-43s)宇宙的温度。
在这个时期,宇宙中所有的能量都集中在一起,拥有着最高的温度,但是这时的温度会打破我们现有的物理法则,也就是说我们现在的物理法则在宇宙诞生的时候就会完全失效。
我们还拿一杯水说事,如果我们将这么水放在一个封闭的系统中给它持续的加热会发生什么?
当温度达到5500K时,水分子就会被完全破坏,如果持续的加热原子也会被电离,形成由原子核和电子组成的等离子体。
当温度达到80亿K时,粒子的碰撞会产生电子和正电子对。
当温度达到200亿K时,原子核就会被电离,分裂成中子和质子。
当温度达到2万亿K时,中子和质子也将无法存在,而会转变为组成它们的夸克和胶子。(夸克禁闭只在低温状态下发生)
当温度达到2千万亿K时,这时的空间会产生目前已知所有的粒子和反粒子。在这个温度下也会诞生希格斯玻色子,并停止于其他粒子发生相互作用。
也就是说当达到这个温度的时候,空间中所有的粒子都会变为无质量粒子,它们的行为更像是光子,并且以光速运动。
所以说,光速极限并不是限制宇宙最高温度的原因。2千万亿K(2×10^15K)这个温度离普朗克温度(1.4×10^32K)还非常远,但是这个温度也足以打破我们现有的物理法则。
那么我们能否创造出普朗克温度呢?
这个问题相信也不用多说,这是宇宙诞生时的温度,包含着整个宇宙的能量,我们人类如此渺小,如同尘埃一般,这个数字是我们可望不可及的。
如果我们能创造这样的温度,那么我们就有创造宇宙大爆炸的能力,我们就是造物主,我们可以为所欲为。
再说整个可观测宇宙的能量也是有限的,就算我们有一天可以牛到收集可观测宇宙的能量,也无法创造出整个宇宙诞生时的温度,毕竟目前大部分的宇宙都和我们失去了联系。
总结
绝对零度感觉离我们很近是因为宇宙在大爆炸以后经过了138亿年的膨胀,已经冷却到了非常低的温度。我们本身就生活在一个低速、低能量的宇宙中。
如果我们人类出现在宇宙诞生后的数秒钟,我们就会发现宇宙中到处都是高温,并且温度离极限温度非常近,各种物质粒子都在以光速飞行。
这时我们就会这样问,为什么宇宙中最高温度只有1.4×10^32K,而绝对零度却可以低到-273.15℃。
只能说我们生活的宇宙时代不一样而已。未来的宇宙还会持续地冷却,会越来越接近0K。