为什么零下273℃是宇宙最低温度,1.4亿亿亿亿度是最高温度

俄罗斯的奥依米亚康的极端最低气温达零下71摄氏度,被气候学家称为世界“寒极”。按这样来说,零下273.15℃好像也没有特别冷吧,但其实在整个宇宙来说,没有物质的温度能低于零下273.15℃,因为它也被称为绝对零度。

科学家发现的宇宙最冷之地——“回力棒星云”,那里的温度为零下272摄氏度比绝对零度(零下273.15℃)高将近1度。这个“热度”(因为实际上我们谈到的温度总是在绝对零度之上)是作为宇宙起源的大爆炸留存至今的热度。

绝对零度可以说是一个理想的、无法达到的、完美的冻结状态,很多人对于温度和热的理解都缺少一个概念,温度的本质是一种态函数,用来描述物体内部原子热运动剧烈程度。说白了就是物质内部粒子的平均动能。而在物理学中,是没有“冷”这个概念的,“热”是指由于温度差别而转移的能量。零下50℃也是“热”,因为粒子还处于运动之中,

在我们生活的三维空间里面,粒子是不可能有负的速度的,速度>=0,至少我们认知的三维空间不可能,然后量子力学的不确定性原理认为,越精确地知道位置,则越不精确地知道动量,反之亦然。所以把等号也给抹了。那么从定义上,温度就存在一个达不到的最小值,当然了,粒子移动速度也有一个上限,光速c。所以其实温度也是有上限的,被称为普朗克温度,这个数字就是1.4亿亿亿亿℃。

早在人类的观察还停留在宏观世界的时候,化学之父波义耳就观察到硝石(硝酸钾)溶解于水而吸收大量热量,认为地球内部可能存在一种最低温度,他把这叫做“原始冷”。

后来,纪尧姆·阿蒙东注意到,当从沸点冷却到冰点时,密封容器中的气压会下降“大约1/4”。由此外推的话,他推断,如果继续冷却,气体的压力也许最终会在某个温度之下完全消失——按照今天的标记,这个温度大约在-300℃。再后来,随着对理想气体压力和温度测量精度的日益提高,人们发现这个推测不算离谱。1834年,克拉珀龙提出了理想气体状态方程,根据理想方程的推导,今天的绝对零度被定义为开尔文温标下的温度零点(也就是0开尔文),大约相当于-273.15℃。

一旦达到这个温度,微观量子接近于静止,所有原子的振动都会停止,分子也就没有办法热运动,物质已经基本丧失了基本相态,量子力学不确定性原理将被打破,这个时候时间和空间都会失去意义,也就不存在什么宇宙了。

从绝对零度被提出那一刻,科学家就想达到绝对零度,目前来自麻省理工学院的科学家激光冷却钾钠气体分子达到了500纳开尔文,相当于一摄氏度的5000亿分之一((比绝对零度仅高百万分之几摄氏度)。而想要继续往下探索就非常困难了,所有物质的导热率都随着温度下降而急剧降低,这意味着,想要从某处将热量向外传导需要更长时间。同时物质的比热,也就是变化单位温度所吸收或释放的热量,随温度降低而变得极其微小。

这也意味着任何微小的行为都相当于再给物体加热,假设一只蝴蝶从10厘米高处飘落下来,停在一块1厘米见方、温度为0.001K(-273.149 摄氏度)的铜块上,撞击的能量就足以让这个铜块的温度上升100倍。

在追寻绝对零度的旅程中,科学家发现了许多的科学原理与物理现象,比如昂内斯教授通过采用压缩氮气节流预冷氢、氢压缩节流预冷氦,最终用压缩节流的方法将氦液化,获得了4.2K(-268.95 摄氏度)的低温。成功将最后一种“永久气体”——氦气液化。

昂内斯就发现,在非常低的温度下,某些金属会变成超导体。冷却到某一临界温度之下,这些金属的电阻会陡然下降15个数量级,几乎与0无异。

而当液氦进入2.17K(-270.98 摄氏度)时候,部分液氦就会进入超流态,一种可以完全无摩擦流动、完美导热的状态,如果将超流体放置于环状的容器中,由于没有摩擦力,它可以永无止尽地流动。当进入超流体之后,不管液氦中的哪个区域部分受热开始要形成气泡,附近的超流液氦就会将这些热带走,将气泡消灭于无形之中。

而达到绝对零度会发生什么,没有科学家可以预料到。如果人类可以制造出绝对零度,那么宇宙构建的物理秩序或将被打破,热力学第三定律就很直白地宣告:绝对零度不可达到!

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