從宏觀角度上來看,溫度是表示物體冷熱程度的一個物理量,,而從微觀角度上來說,,溫度則是表示物體微觀粒子運(yùn)動的劇烈程度,總的一句話來說,,溫度指的就是這些分子不規(guī)則的熱運(yùn)動,,也被稱為布朗運(yùn)動。 如果當(dāng)它們的熱運(yùn)動越來越劇烈的時(shí)候,,其動能轉(zhuǎn)化成的熱能就越多,,物體的溫度也會變得越來越高,反之,,當(dāng)物質(zhì)分子運(yùn)動速度變慢的時(shí)候,,產(chǎn)生的熱量也相對較少,溫度也就越低,。誠然,,世界萬物都是由物質(zhì)分子組成的,而溫度的冷熱又與這些物質(zhì)分子有關(guān),。 根據(jù)科學(xué)家們分析發(fā)現(xiàn),,在太陽表面溫度可以高達(dá)6000攝氏度,而目前地球上熔點(diǎn)最高的物質(zhì)是鉿合金,,在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓之下它的熔點(diǎn)為4200℃,,這些數(shù)字看起來都很大,但在宇宙最高溫面前是微不足道,。 宇宙最高溫度目前已知的最高溫度約為1.42億億億億度,,即誕生于大爆炸時(shí)的瞬間溫度,這也被稱為普朗克溫度,,而且量子力學(xué)給出的溫度上限就是普朗克溫度——絕對熱度,。 宇宙大爆炸理論是現(xiàn)在最主流的宇宙來源理論,并且還有星體紅移現(xiàn)象和宇宙微波背景輻射等天文觀測證據(jù)的支持,,按照宇宙大爆炸理論,,宇宙應(yīng)該是誕生于138億年前的一次大爆炸,在宇宙最初的時(shí)候只是能量奇點(diǎn)。 一般理論認(rèn)為這個奇點(diǎn)沒有空間,,宇宙半徑尺寸趨近于零,,但它卻被科學(xué)家們認(rèn)為其集合了宇宙中所有的物質(zhì)和能量,被看作是一個密度無限大,,熱量無限大,,溫度無限高,壓力無限大,,時(shí)空曲率無限大,,體積無限小的一個“點(diǎn)”,就這樣,,宇宙間所有的物質(zhì)和能量全部都擠壓在這樣一個高壓的環(huán)境中,,而在奇點(diǎn)發(fā)生爆炸的一瞬之間,所有的物質(zhì)和能量被釋放了出來,,也就是在這一時(shí)刻,,宇宙最高溫誕生了。 普朗克溫度的“測量”普朗克溫度也被稱為普朗克熱點(diǎn),,是以德國物理學(xué)家馬克斯·普朗克而命名的,表示的是溫度單位,,也記為TP,,而且還代表著量子力學(xué)中一個基礎(chǔ)極限的普朗克單位。 其實(shí)普朗克溫度實(shí)際上只是科學(xué)家們提出的一個理論溫度,,數(shù)值為T=1.416833(85) × 10的32次方K,,是宇宙中目前溫度的上限,為宇宙大爆炸第一個瞬間的溫度(第一個單位普朗克時(shí)間),。 溫度在微觀上代表的是粒子運(yùn)動的劇烈程度,,那么把溫度與粒子運(yùn)動聯(lián)系起來——T=mv^2/k,其中m為所有粒子的質(zhì)量,,v為速度,,k為玻爾茲曼常數(shù)。 如果要想計(jì)算出普朗克溫度,,就需要把各項(xiàng)的最大值代入,,也就是速度點(diǎn)最大值,而目前宇宙中最快的速度為光速,,所以將光速c代入上面的式子就可以得出下面的一個式子,,其中mp為普朗克質(zhì)量(是粒子的康普頓波長與史瓦西半徑相比擬時(shí)的質(zhì)量,理論上是粒子質(zhì)量的最大值),,h為普朗克常數(shù),,c為真空中的光速,k還是玻爾茲曼常數(shù),G為萬有引力的常數(shù),,這樣計(jì)算就可以得出普朗克溫度,。 需要注意是,普朗克溫度只在宇宙大爆炸的時(shí)候出現(xiàn)過,,因此是由各項(xiàng)參數(shù)的最大值推算而來的,,并不是實(shí)際測量的,也就是上面我們說到的是科學(xué)家提出的一個理論值,。不過什么都有兩面性,,既然宇宙有一個最高溫度,那么宇宙也應(yīng)該存在一個最低溫度,。 在愛因斯坦的相對論中,,光是宇宙中的極限速度,宇宙萬物都只能無限接近,,但無法達(dá)到甚至超越,,與此類似的是,物理學(xué)中還有一個這樣只能無限接近但不可能達(dá)到的一個概念——絕對零度,。 絕對零度的概念絕對零度是熱力學(xué)上的最低溫度,,是一種理論上的最低的溫度。 在熱力學(xué)的描述中,,溫度的單位是開爾文(K),,所以絕對零度的數(shù)值就是0K,如果換算成攝氏度的話,,為—273.15攝氏度,。 這是根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程推導(dǎo)出來的,也是理想氣體的分子停止運(yùn)動時(shí)的溫度,,而絕對零度之所以有兩個小數(shù)點(diǎn),,這是由其本身的定義而決定的,1 K 被定義為絕對零度和純水三相點(diǎn)溫差的273.16分之一,,因?yàn)樗娜帱c(diǎn)的溫度正好是0.01℃,,所以0 K 就是-273.15℃。 絕對零度的計(jì)算根據(jù)查理定律,,對于任意一種理想氣體,,只要體積保持恒定,其壓強(qiáng)和溫度之比是一個常數(shù),,即C=P/T,。 如果多次測量壓強(qiáng)及溫度,這樣多組的壓強(qiáng)以及溫度參數(shù)就可以繪制成一條直線方程,,對該方程進(jìn)行推算,,即可算出絕對零度的具體數(shù)值,,其數(shù)值為-273.15攝氏度。 通過這樣的方法,,可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)物體的溫度達(dá)到—273.15攝氏度時(shí),,氣體的體積將會減小到零,從微觀上理解,,也就是當(dāng)物體的溫度處于絕對零度時(shí),,理想氣體分子就停止運(yùn)動(理想的狀態(tài)),因此絕對零度也是在理想狀態(tài)下計(jì)算出來的數(shù)值,。 目前宇宙最低溫我們科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)布莫讓星云的溫度只有—272攝氏度,,可以看出這個溫度只比絕對零度高了1.15℃,也是目前已知宇宙中最冷的地方,,因此布莫讓星云也被稱為“宇宙冰盒子”,。 后來為了制造出更低的溫度,我們?nèi)祟愔圃斐隽艘汉?,科學(xué)家們通過利用液氦蒸發(fā)的方法制造出了更低的一個溫度,,達(dá)到—273℃左右,而這個制造出的最低溫與絕對零度只有0.1℃左右的差距,,不過這0.1左右的差距是難以跨越的,。 最低極限即絕對零度,—273.15攝氏度,,這是一個永遠(yuǎn)也不可能達(dá)到的極限,,除非原子完全靜止,沒有任何運(yùn)動,。 之前我們已經(jīng)說過了,溫度的高低取決于物質(zhì)分子運(yùn)動的劇烈程度,,換句話來說,,當(dāng)分子的運(yùn)動完全停止的時(shí)候,那么物體的溫度也就達(dá)到了極限,,這就是我們所說的絕對零度,。但是為了能夠達(dá)到真正的絕對零度,不僅原子運(yùn)動必須停止,,而且所有原子的內(nèi)部組件也需要停止,,那么電子需要停止繞原子核運(yùn)動,原子核中的中子和質(zhì)子也將停止相互作用,,其內(nèi)力,,夸克等等也都必須停止所有活動。 但是根據(jù)量子力學(xué)效應(yīng)這根本是不可能達(dá)到的,,由于我們空間中的能量交換每時(shí)每刻都在進(jìn)行的,,而絕對零度只是一種理想情況,,因此絕對零度只能無限接近,不可能達(dá)到,。 低于絕對零度和高于普朗克溫度的情況在目前科學(xué)體系下討論都是沒有任何意義的,,而且現(xiàn)實(shí)生活中也不可能出現(xiàn)。 |
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