-
1 # 科學黑洞
-
2 # 宇宙觀察
2020年4月2日,位於合肥的“東方超環”可控核聚變實驗裝置,首次實現了“1億攝氏度情況下,穩定執行10秒”
這一成就意味著,人類文明距離“成功實現可控核聚變”又近了一步,但目前人造最高溫度並不是1億攝氏度,而是2012年時,高能物理學家們用加速器,生成的5.5萬億攝氏度。
在物理學中,溫度是粒子運動速度的外在表現,並不是宏觀意義上感覺到的“溫度”,正因如此,加速器中的單個粒子,才能達到5.5萬億攝氏度的超高溫,且不對宏觀世界產生影響。
相比人類在“創造高溫”方向上的大踏步前進,“創造低溫”的路則要短得多,因為在我們的宇宙中,最低溫度就是零下273.15攝氏度,也叫絕對零度。
-273.15,和5.5萬億,這兩個數字看上去,後者似乎比前者“更難”,但在物理學中,前者就好像光速一樣,你只能無限接近它,但永遠不可能達它。
那麼問題來了,人類為什麼永遠無法達到絕地零度呢?這個問題涉及到了溫度的本質,以及熱力學的本質,前面我們已經說過,溫度是因為粒子運動才出現的,所以說只要有粒子在運動,就有溫度隨之產生,因此想要實現絕對零度,首先就要讓所有的粒子停止運動。
在現代物理學中,量子力學的研究範圍就是全體微觀粒子,而在量子力學中有一個“不確定性原理”,大意是說類似核外電子這樣的微觀粒子,是無法被同時確定位置和動量的,科學家們只能用機率來描述它們,而無法像在宏觀世界一樣,精準預測它們的運動速度和範圍。
在任何物質都由原子組成,原子又由電子和原子核組成的情況下,無法定位電子就無從“靜止”電子,因此電子就會無休止的運動下去,而運動就會帶來熱量,這種熱量極其微弱,阻止了“絕對零度”的出現。
目前物理學家在實驗室中用鐳射製冷,生成過0.5nk的低溫,也就是比絕對零度高20億分之一k,儘管距離“絕對零度”已經如此之近,但物理學家們也知道自己不可能到達“絕對零度”,就像無法達到光速一樣。 在量子力學禁止人類生成絕對零度的同時,相對論也禁止人類生成“最高溫度”物理學中的“最高溫度”叫普朗克溫度,計算出的數值是1.416808(33)×10^32K,迄今為止它只在宇宙大爆炸瞬間出現過。
如果說絕對零度就是粒子的絕對靜止,那麼最高溫度,就是粒子運動速度的上限,也就是光速。
微觀粒子除了光子,其餘都是存在靜止質量的,所以它們都無法達到光速,這樣一來最高溫度的實質表現就是“粒子無限接近光速”時,就是最高溫度。
溫度的上限和下限,真空光速,核聚變質能轉化率,這些客觀存在的條條框框”,是我們宇宙的“天花板”,人類物理學只能在天花板下大展拳腳,而無法打破它們。
-
3 # 鍾銘聊科學
人類創造的最高溫度
在歐洲的的瑞士日內瓦近郊,坐落著一座大型粒子加速器,江湖人稱LHC。LHC的周長達到了27公里,每當投入工作時,周圍居民樓的電燈泡都會暗不少。
那什麼是大型粒子加速器呢?
它其實是深埋於地下的一個大型試驗裝置,但其中有專門的隧道。這個隧道當中鋪設了專門用來給粒子加速的加速管道。一般來說,科學家會把粒子加速到接近光速,然後讓粒子迎頭撞上。
那為什麼要這麼做呢?
這其實是在驗證一些微觀世界的物理學理論。微觀世界由於尺度實在太小,經過100多年來的研究,科學家發現利用純粹的“對撞”來進行實驗,並分析對撞之後的產物是最有效的辦法。而如今關於微觀世界的理論是粒子物理學標準模型。那什麼是粒子物理學標準模型呢?
上世紀,科學家就用這種對撞的方式發現了許多以前從來沒見過的粒子,如何把這些粒子安排明白就是一個很難的問題。後來,在一群科學家的努力之下,他們透過量子力學和相對論的結合,得到了一個理論框架,並把這些粒子都安排到了這個理論當中。
而在這套理論當中,科學家預言了一個希格斯玻色子的存在,它的作用是賦予粒子質量,它是整個理論的最後一塊拼圖。科學家一直想要找到它,這就需要很好的實驗裝置。一開始科學家跑到美國去說服美華人來修建這個裝置,結果美華人覺得這個成本太高,於是就給拒絕了。
後來,科學家們跑到歐洲想要說服歐洲修建這個裝置。當時他們包裝了一個概念,把這個希格斯玻色子叫做:上帝粒子。果然這一招很好使,真的就說服了歐洲修建,也就是LHC。
LHC在尋找希格斯玻色子的實驗中,就在區域性製造了能量相當於10萬億度的黑體輻射。這也是人類製造的最高的溫度。
宇宙的最高溫度10萬億度雖然很高的了,但它其實不是宇宙中的最高溫度。這個溫度大概是宇宙大爆炸後萬分之一秒的時候的溫度。那我們這裡為什麼要提到宇宙大爆炸呢?
這是因為,宇宙的最高溫度就誕生於宇宙大爆炸的起點。我們知道,按照目前科學界的主流理論,宇宙起源於138億年前的一次大爆炸。
在物理學中,任何變化其實都有最小的單位。也就是說,這個世界的變化並不是連續的,而是顆粒狀的,只是這個顆粒度實在太小,以至於我們認為世界的變化是連續的。在眾多的變化中,時間的流逝就是其中之一。時間變化的最小單位被我們稱為普朗克時間,大概是5.39*10^(-44)秒。
由於如今物理學理論的限制,我們無法知道宇宙大爆炸後5.39*10^(-44)秒(普朗克時間)內到底發什麼。我們只知道,透過理論可以推匯出宇宙大爆炸後5.39*10^(-44)秒時,宇宙的溫度是1.41*10^32度,也就是1.41億億億億度。這是我們已知的宇宙最高溫度。
後來,隨著宇宙空間的膨脹,宇宙的溫度逐漸下降,到了萬分之一秒時,溫度是10萬億度,而到了如今,溫度只剩下2.73K,只比絕對零度高2.73度,是以宇宙背景輻射的形式存在的。
所以,人類製造宇宙最高溫度還遠的很,甚至我們可以說,人類根本不可能做到這一點。既然最高溫度達不到,那有沒有可能達到絕對零度呢?
人類為什麼無法達到絕對零度?熱力學第三定律告訴我們,絕對零度是達不到的。那為什麼會這樣呢?
我們都知道,絕對零度是零下273.15度。為什麼會是這麼奇葩的一個數字?
這要從物質的構成說起。萬物都是由粒子構成的,而粒子其實不是整整齊齊地排列的,而是不停地亂動。
科學家發現,從微觀的角度來看,構成物質的粒子整體運動得越劇烈,溫度就越高。整體運動得越不劇烈,溫度就越低。
於是,科學家就用粒子的平均動能來定義溫度。透過這個定義,我們不難想到,最低的溫度,那一定就是粒子的平均動能最小的狀態。所以,我們只要透過理論計算就可以得到絕對零度是零下273.15度。當然這個定義其實是基於0度是水結冰,而100度是水沸騰的條件之上。我們當然,也可以直接把絕對零度定義為0度。那為什麼絕對零度是達不到呢?
其實我們試想一下,根據溫度的定義,我們就可以知道,粒子的平均動能越低,溫度就越低,可是絕對零度對應的已經是粒子平均動能最低的情況,也就是說粒子的平均動能沒辦法再降低了,因此,溫度也就不能再降低了。
當然,科學家是不信邪的,即便是物理學定律,他們也會嘗試去打破。在地球上有許多超低溫實驗都在挑戰絕對零度。但即便到了現在,科學家只能無限接近絕對零度,卻依然無法到達絕對零度,更不要說低於絕對零度了。
-
4 # 啤酒哥資料show
溫度下限,絕對零度是熱力學的最低溫度,是粒子動能低到量子力學最低點時物質的溫度。
物質的溫度取決於其內原子、分子等粒子的動能。根據麥克斯韋-玻爾茲曼分佈,粒子動能越高,物質溫度就越高。理論上,若粒子動能低到量子力學的最低點時,物質即達到絕對零度,不能再低。
然而,根據熱力學定律,絕對零度永遠無法達到,只可無限逼近。因為任何空間必然存有能量和熱量,也不斷進行相互轉換而不消失。所以絕對零度是不存在的,除非該空間自始即無任何能量熱量。在此一空間,所有物質完全沒有粒子振動,其總體積並且為零。
-
5 # 星球上的科學
溫度對於我們來說看不見摸不著的,因此依靠自身無法來對其進行精確的描述,但我們卻可以根據溫度變化情況來決定的我們的穿衣打扮,溫度高,那就是熱;溫度低,那就是冷,這是生活中的常識。
溫度的本質是什麼?從宏觀上的簡單理解,就是一個用來表示物體冷熱程度的物理量,如果有兩盆水,溫度分別是0攝氏度,40攝氏度。
當你先把手放到0度的水中之後,再把手放到40度的水中,你會很明顯的發現第一盆水是冷的,第二盆水是熱的,所以溫度就是冷和熱兩個概念。
但從微觀上來理解,溫度是用來表示物體分子熱運動的劇烈程度,可以說溫度是由物體分子熱運動而產生的,如果分子的熱運動越劇烈,物體的溫度就越高,而分子這種微觀運動的劇烈程度就決定了物質溫度的高低,總而言之溫度就是物體分子間的平均動能的表現(這裡需要注意的是平均動能,而不是單個或多個分子,因為在單個分子內不存在溫度)。
根據科學家們研究發現,目前地球上的最高溫是位於地球的核心,溫度高達6000攝氏度以上,比太陽的表面溫度還要高,這主要是因為在地球內部存在著巨大的壓力,而在這種高壓下,物質的溫度也隨之增高。
但如果在太陽系內比較的話,這個溫度就不算高了,因為溫度最高的是太陽,太陽的核心溫度直接高達2000萬攝氏度。
雖然太陽的核心溫度可以達到2000萬攝氏度,但是在廣袤無垠的宇宙中還存在著比太陽更大的恆星和星球,而恆星的質量越大溫度也就越高,因此這些恆星溫度很可能比太陽高得多,於是科學家們就認為溫度沒有上限。
那麼溫度有上限嗎?首先溫度的本質是粒子的熱運動劇烈程度,而粒子的運動則會產生動能,說白了的話就是溫度的變化也就是動能的變化。由狹義相對論可以得到,動能會隨著速度趨近於光速而變得無窮大,但這並不意味著溫度就沒有上限了。
粒子的熱運動劇烈程度產生的動能,其上限就是光速,因此並不可以說溫度是無窮升高度。
而科學家將溫度的上限值稱為普朗克溫度,它的值超出了我的的想象,不過這樣的高溫在現實生活中不可能再出現了,因為宇宙中可能只有138億年奇點發生大爆炸的瞬間才達到了這個溫度。
宇宙最高溫度。宇宙大爆炸是當今宇宙起源的主流理論,也廣泛的被天文物理學家們所認同,同時也有星體紅移現象和宇宙微波背景輻射等天文觀測證據所支援的。
大爆炸理論認為,宇宙在最初的時候只是一個奇點,理論上這個奇點是沒有空間的,也就是說其宇宙半徑尺寸趨近於零,但它卻是一個密度無限大,溫度無限高,體積無限小的一個“點”,所以奇點爆炸的那個時刻被認為是宇宙出現以來溫度最高的一個時刻,在量子物理學中,這個溫度被稱為普朗克溫度。
普朗克溫度指的是宇宙大爆炸開始的第1個普朗克時間中宇宙的溫度,達到了1.416833(85) × 10的32次方K,也就是大約1.4億億億億度,這也是目前理論上推測出的宇宙最高溫度。
關於最低溫度的定義數值為—273.15攝氏度,即最低溫度的極限,也被稱為絕對零度,因此-273.15℃就是熱力學當中的絕對零度。
絕對零度的發現。在16世紀末,法國物理學家阿蒙頓發現,在水的沸點以下,溫度與氣體的壓力成正比。他認為壓強的下降是有極限的,因此溫度也是有下限的,透過計算他認為溫度的下限是—246℃。
後來科學家們還發現,氣體的體積與壓力和溫度有關,當壓力增大或溫度降低時,氣體體積就縮小。於是到了1787年,法國物理學家查爾斯把它寫成了一條定律:對於一定質量的氣體,壓強是恆定的,溫度每下降1℃,氣體的體積就縮小到0℃時體積的1/273,因此就認為最低溫度為—273.15攝氏度,即絕對零度。
但是根據熱力學的第三定律,絕對零度是不可能達到的。
為什麼達不到絕對零度?根據溫度的實質,粒子的熱運動產生了動能,動能的變化與溫度的變化是呈現正比關係的,透過上面的描述,當這些粒子完全不動,處於靜止狀態的時候,那不對應的就是最低溫度嗎?
雖然這看起來很符合,但這其實是錯的。隨著上世紀量子力學的發展,我們知道微觀粒子是具有波粒二象性的,描述了微觀粒子的行為是和宏觀完全不同的,是具有不是確定性以及機率性的。
因此,微觀粒子不可能完全停在某個位置上,也就是說粒子的運動不可能完全停止,因此溫度自然也不可能下降到絕對零度。其實絕對零度就和光速一樣(科學家透過粒子加速器對粒子加速的時候,粒子的速度可以達到99.999%光速,可就是無法實現光速) 只能無限接近但永遠無法達到。
因此,絕對零度就是宇宙的最低溫度,在宇宙內的所有溫度都會高於絕對零度。
-
6 # 繁星有你灬
人類能夠創造出10萬億度高溫,但這個高溫距離最高溫度還差很遠很遠,因此以後還可以創造出更高的溫度,卻永遠也達不到最高溫度。
-
7 # 流水遊木
溫度的本質就是分子的活躍程度。分子的運動速度越快,表現出來的就是溫度越高,分子的運動速度越低,溫度就越低。
理論上來說,其實只要分子的運動速度越來越快,溫度就可以一直提升上去,約等於沒有上限。但是靜止卻是溫度的下限。分子不運動這個時候表現出來的溫度就是最低的。
溫度的高低是人為定義的為了方便人們在生活中使用溫度來表達。簡單來說將標準大氣壓下,水結冰的溫度(冰水混合物)定為零度。這一切就是為了方便人們日常生活表達而已。
如同開爾文溫度,絕對零度就是最低,不可能有零下。
同樣,你可以把十萬億度定為零度,把攝氏度0度稱為零下十萬億度。也可以。就是使用起來極其的不方便而已。
絕對零度絕對零度的意思就是分子的活躍程度最低,完全靜止或者說全部處於基態。這個時候不向外輻射熱量。熱量為0.
但是以人類目前的手段,或者可能未來也是如此,完全無法做到讓一個物體內部數以億萬計的分子完全靜止。所以,結果就是人類只能無限接近絕對零度,卻無法讓所有分子靜止下來。所以完全無法到達絕對零度。
相反,人類只要讓分子的活躍程度提高,就可以無限的提高熱量。只是這裡面要消耗非常龐大的能量來加速分子運動,以及物體本身是否能夠承受如此高溫。這樣反而要簡單一點。
-
8 # 科普子期君
人類能夠創造10萬億度高溫,卻無法突破絕對零度,原因為何?絕對零理論上是0開爾文,或-273.15攝氏度。其實我們簡單想想就知道,要使某物達到絕對零度,那它必須被比絕對零度更冷的東西包圍著,很顯然這是不可能的。
其實,把物體的溫度降低到絕對零度與把物體的速度提高到光速,在本質上是相同的。達到光速需要無限的能量,而降至絕對零度則需要提取無限的熱量。
如果我們試圖把溫度降低至絕對零度,那麼該系統的熵將變為零。但是在量子領域,根據海森堡不確定性原理,不管什麼時候,我們都無法同時知道微觀粒子的確切位置和動量。那麼,系統的熵又怎麼能夠降低到零呢?
那麼溫度為什麼沒有上限呢?我們知道,物質的溫度是該物質中顆粒平均動能的量度。隨著粒子的平均動能增加(它們運動得更快),該物質的溫度也會增加。反之溫度降低。
我們只需要提高物質中顆粒的平均動能就能提高該物質的高溫。提高粒子動能的方法有很多且沒有極限,我們可以透過外部的高溫接觸來傳遞高溫,也可以透過壓縮它們的空間獲取高溫。只要外部提供更高的能量壓縮它們,裡面的粒子運動得就更快,它們就能達到更高的溫度,所以高溫是沒有上限的。
我們為什麼如此地熱衷於絕對零度呢?這都是因為物體在絕對零度下具有非常優異的效能。例如,在非常低的溫度下,許多材料能夠成為超流體,超流體可以進行無粘性流動,形成超薄層,流動起來就能達到最小的能量損耗。
同樣,在超低溫下,許多材料會變成超導體,這意味著它們實際上沒有電阻,如果應用於電力傳輸,將節省大量的電力損耗。
-
9 # 宇宙探索
首先需要明白一點,溫度有下限絕對零度,但很多人不知道的是溫度其實也有上限,並不能達到無限高,這個上限就是普朗克溫度,1.416833(85) × 10的32次方K,也就是大約1.4億億億億度!
絕對零度約等於零下273度,這個大家都知道。那麼什麼是普朗克溫度呢?普朗克溫度是宇宙大爆炸發生一個普朗克時間時的溫度,普朗克時間是有意義的最短時間單位,而普朗克溫度被認為是宇宙最高溫度,任何比普朗克溫度熱的溫度都沒有意義。
普朗克溫度的數值看起來很大,而絕對零度的數值很小,不少人都此不解,其實這是由於人們對溫度的定義造成的,人們定義冰水混合物為零度(標準大氣壓下),水沸騰溫度為100度,如果定義冰水混合物為100億度,絕對零度的數值就會很大。所以問題的關鍵不是數值的大小,而是為何我們不能突破最低溫度絕對零度!
這需要從微觀世界也就是量子世界來詮釋,我們知道溫度其實就是微觀粒子運動快慢程度,而在微觀世界,由於存在不確定性,粒子會非常隨機地出現在某個地方,無論如何不可能達到絕對的靜止,所以,我們不可能讓溫度達到絕對零度。除非我們能讓微觀粒子的不確定性消失,達到絕對的靜止,否則絕對零度是不可能達到的。而在量子力學中,不確定性是最基本的特性。
最高的溫度普朗克溫度與絕對零度也很類似,由於普朗克時間是最短的時間單位,宇宙大爆炸發生一個普朗克時間之後的溫度就是最高的普朗克溫度,因為不可能存在半個普朗克時間,這樣的時間是沒有意義的。
-
10 # 時空通訊人類能夠創造出10萬億度高溫,但這個高溫距離最高溫度還差很遠很遠,因此以後還可以創造出更高的溫度,卻永遠也達不到最高溫度。
而人類雖然無法突破絕對零度,是因為絕對零度是宇宙最低溫度。宇宙達到了最低溫度,就是死亡歸零。
這不就扯平了,人類永遠也製造不出最高溫度,同樣也製造不出最低溫度。現在科學界認為的宇宙最高溫度,是宇宙大爆炸普朗克時間的溫度。所謂普朗克時間是時間的最小單位,小於這個單位的時間就沒有意義了。普朗克時間為大爆炸後的10^-43秒,也就是大爆炸開始後1000億億億億億分之一秒。
宇宙大爆炸開始這麼短的剎那間,溫度為10^32K,也就是1億億億億K。
“K”為熱力學溫標的符號,又稱開爾文溫標、絕對溫標,是國際單位制的7個基本單位之一,簡稱“開”,符號表示為“K”。世界上現在使用的主要溫標有三種,就是開氏度溫標、攝氏度溫標、華氏度溫標。早期還有過列氏溫度和蘭氏溫度等溫標,現在都淘汰了。
所有的溫標都是以熱力學溫標作為標準來衡量。現在世界上絕大多數國家都是使用攝氏度溫標,攝氏度與絕對溫標的標度刻度是一致的,表示符號為“℃”。
0K就是絕對零度,對應攝氏度為-273.15度。攝氏度冰點0度為273.15K,以後攝氏度每提升一度開氏度也相應提升1度,攝氏度100度就是373.15K。
華氏度的表示符號為“℉”,現在只有5個國家在使用。華氏度與攝氏度對應關係為:F=C×1.8+32 //C=(F-32)÷1.8。
例如: 0℃=(0×1.8+32)℉=32℉,100℃=(100×1.8+32)℉=212℉。
由此我們可以看出,溫標是人類認識世界,並根據人類習慣而制定的一種衡量溫度的標杆,帶有很強的主觀色彩。之所以有人覺得人類可以發現或者創造出很高的溫度,而無法突破僅有幾百度的低溫,這只是一種錯覺,這個錯覺就是建立在人類對溫度的標度方式上。
如果把世界可能存在的最高溫度和最低溫度中間劃一個刻度的話,把這個刻度定為0度,那麼就存在零上數億億度和零下數億億度。如果用這樣的溫標來回答這個問題,回答是高溫突破還是低溫突破的話,大家會怎麼回答呢?
很多人可能會說,為什麼人類已經突破了零下幾億億度的低溫,卻連零度也突不破呢?更別說高溫了。
如果用這種溫標來衡量我們的世界,用在我們的生活中實用嗎?我們宇宙從大爆炸開始,迄今已經138億多年了,宇宙中極高的溫度逐步冷卻下來,雖然恆星等天體還有極高的溫度,但在稀疏的廣袤宇宙空間,平均溫度已經極低極低了。
宇宙微波背景輻射溫度,也就是宇宙大爆炸的餘暉,溫度已經降低到了2K多一點,接近絕對零度,因此叫做3K宇宙背景輻射。
因此宇宙已經是趨向寒冷的,而地球平均氣溫在15度(攝氏度,後同)左右,人類日常生活接觸的溫度一般都在零下幾十度到幾百度之間,因此溫標定在這樣一個水平上才能夠比較適合人類需要。
但這樣一來,卻給一些人造成了溫度高低的錯覺。
現在人類對低溫的探求已經無限接近絕對零度了,科學家們在實驗室已經制造出0.5nK(0.5納開爾文)的低溫記錄,也就是20億分之一K。宇宙中理論最高溫度為1000億億億億億K,宇宙中現在理論上存在的高溫也有千萬億K(超星系大爆炸、中子星黑洞相撞等),而人類製造出來的高溫才10萬億K,距離最高溫度還連一根毛都算不上。
因此可以說人類已經對低溫突破取得了重大進展,而對高溫突破還剛剛起步,任重道遠。
-
11 # shoyeh
理論上,宇宙的最高溫度可以達到1.42億億億℃,就是宇宙大爆炸時的溫度,最低溫度卻只有-273.15℃,就是分子絕對靜止時的溫度,而人類在尋找希格斯玻色子時產生的區域性能量相當於10萬億℃的黑體輻射,離宇宙大爆炸時的溫度那是差了十萬八千里。而製造最低溫中,先是用液氦蒸發的辦法制造出-273攝氏度。後又透過其他技術實現了(10E-9)K,這樣一比,離最低溫度可比最高溫度近多了。
回覆列表
說到物體溫度是所有人最熟悉但也是最陌生的概念,熟悉的是我們每天都會看天氣預報,看一天的最高溫度和最低溫度,好決定第二天搭配什麼樣的衣服。在此次疫情期間我們出入社群都需要測量自己的體溫,也很清楚地知道體溫在什麼範圍內是合格的。
在大部分人常規的理解中溫度就應該是沒有限制的,最高最低都可以是無限的,但實際情況遠非如此,宇宙是有溫度極限的,最低溫度是絕對零度(0k),也就是-273.15攝氏度。而最高溫度按照現在的科學體系來說也是有極限的,我們可以稱之為普朗克溫度,大約為1.42x10^32度,也就是經常出現的資料1.42億億億億度。
要理解宇宙的高低溫度極限,首先要清楚地知道溫度的概念,溫度宏觀上是衡量一個物體冷熱狀態的物理量,從微觀角度來看,它表示的是物體分子熱運動的劇烈程度,或者更準確的說是分子運動的平均動能大小。當微觀分子運動的越劇烈,物體所表現出的溫度值就越高。
那接下里的溫度極限就好理解了,分子運動平均動能可以換一個角度來看,那就是分子的運動速度。正常理解下分子可以靜止,速度最快為光速,那麼按照這樣的定義就可以出現溫度極限了。但實際上並不正確,因為分子不可能靜止,同時也不可能為光速,按照愛因斯坦的狹義相對論限制,有靜止質量的物體永遠都達不到光速,雖然分子是微觀粒子,質量很小,但依然有靜止質量。 其次是分子也不能完全的靜止,這一點可以從量子力學的角度來切入,量子力學中非常核心的一個概念就是不確定性原理或者說測不準原理,簡單的理解就是我們不能同時掌握微觀量子的位置和動量,它們只能透過機率來表示,例如我們不能說一個量子就在A點,只能說它在A點的機率是多少。那麼同樣一個微觀粒子也無法完全靜止,那樣的話位置和動量就是確定了,這就直接把量子力學推翻了。
因此從熱力學角度來看,當微觀粒子的平均動能降低到量子力學允許的最低點時,物體的溫度達到絕對零度也就是-273.15攝氏度(0k)。但是這個理論的最低點是無法達到的,因此說絕對零度也是一個理論值,只能無限的接近,但並不能達到絕對零度。
宇宙的最低溫度極限瞭解了,那接下來繼續看宇宙的最高溫度限制,前邊提到了微觀粒子速度光速,那就是溫度的極限,但這裡並不能這樣理解。宇宙的最高溫度應該是沒有限制的,只不過超過某個值就變的沒有意義了。
目前關於宇宙的起源都認為是138億年前的奇點大爆炸,而在此之後宇宙經過不斷地膨脹形成今天的模樣,理論上來講隨著宇宙的膨脹溫度是逐漸的下降的,那麼在宇宙大爆炸後那個瞬間溫度應該是最高的,我們把它稱之為普朗克溫度,科學家計算的數值為1.4億億億億攝氏度。
為什麼會被稱為普朗克溫度?因為按照量子力學的觀點,在宇宙大爆炸的瞬間我們可以把時間精確到10^-43秒,這就是時間的最小跨度了,我們把它稱為普朗克時間,因此在這個時間跨度之後的溫度就是最高溫度極限普朗克溫度了。其實還可以從另外的角度來考慮,如果物體溫度高於普朗克溫度,那麼它就要輻射出波長小於普朗克長度的電磁波,但是目前普朗克長度就是有實際意義的最小長度,再低於這個長度在當前科學體系下就沒有意義了。
目前為止我們並沒有發現打破宇宙最高溫度和最低溫度的極限值現象,科學家在宇宙中發現的最低溫度是1k(-272.15攝氏度),它來自於回力棒星雲,這個星雲位於半人馬座距離地球5000光年。科學家分析產生這樣低溫的原因是星雲在初期發生了絕熱膨脹,氣體快速膨脹對外做工,因此溫度急劇下降。
可以說目前的宇宙高度溫度極限並非是誰規定的,只不過是在我們目前的科學體系下推匯出來的,低於絕對零度和高於普朗克溫度在現在的科學體系之下都是沒有意義的,並且在現實生活中也沒有發現過這樣的情況。