宇宙中的最低溫度和最高溫度

在我們所在的這個宇宙當中，其實存在著最高溫度，同時也存在著最低溫度。最低溫度其實就是零下273.15度，那最高溫度呢？

最高溫度是宇宙才形成時的問題，這個溫度達到了1.4*10^32度，也就是1.4億億億億度，這裡多說一句，我們一般用的溫度單位是攝氏度，實際上在物理學當中，用到的是開爾文，用符號K來表示。那為什麼會有最低溫度和最高溫度的說法呢？

今天我們就來聊一聊這個話題。

最高溫度是咋來的？

按照目前主流的宇宙學理論，我們知道，宇宙並不是永恆的，而是有個起點，這個起點也被我們稱為奇點。138億年前，在奇點處發生了一場大爆炸，宇宙從無限小，曲率無限大的空間，開始快速膨脹。

而宇宙大爆炸的那一刻溫度是非常高的，按照目前的理論，我們並不知道宇宙大爆炸開始的普朗克時間內的發生了什麼。這裡我們解釋一下什麼是普朗克時間，它指的是時間變化的最小時間間隔。也就是說，時間的流逝並不是連續的，而是有個最小的變化單位，每次變化都是這個最小的單位的整數倍。這個普朗克時間是10^-44秒。

所以，宇宙大爆炸之後的10^-44秒那一刻，宇宙對應著一個普朗克溫度，這個溫度就是現在我們知道宇宙的最高溫度，這個溫度是1.4*10^32K。在這之後，宇宙的溫度隨著空間的急劇膨脹而開始下降，在宇宙大爆炸之後的38萬年，宇宙的溫度下降到3000K左右，這個時候，宇宙中的原子得以形成，光子可以在宇宙中自由的穿行。因此，這個普朗克溫度也被視為溫度的上限值。

現在宇宙大爆炸的溫度還殘存著，這也是宇宙的背景溫度，我們管這個叫做宇宙微波背景輻射，這也是證明宇宇宙大爆炸的關鍵證據，同時告訴了我們許多宇宙演化的證據，是天文學家手中的研究利器。

圍繞著宇宙微波背景輻射，現在已經產生了3個諾貝爾物理學獎了。宇宙微波背景輻射的存在也告訴我們一個關鍵的資訊，那就是宇宙並不是絕對零度，也是有溫度的，這個溫度就是宇宙大爆炸的餘溫，現在是2.72K，也就是比絕對零度要高2.72度。但實際上，如果你拿個溫度計去測這個溫度，你會發現根本測不出來，這其中有許多原因，但其中一個關鍵原因就在於溫度的定義上。

絕對零度

關於宇宙的背景溫度為什麼測不出，我們可以結合著絕對零度來說。我們知道，萬物都是由粒子構成的，從微觀視角上看，溫度的本質其實是一種運動，我們定義為微觀粒子的熱運動的劇烈程度。具體什麼意思呢？

實際上，構成萬物的粒子並不是整齊劃一地排列，它們基本上可以被認定為“多動症患者”，這種運動讓我們沒有辦法直接觀測準。

這個觀點，其實我們通過布朗運動就已經間接地觀測到了。所謂布朗運動指的是花粉粒子在水分子的撞擊下呈現的不規則運動。愛因斯坦甚至用數學語言證明了布朗運動。

雖然，我們沒辦法把描繪出每一個粒子的具體運動，但我們可以通過統計學的方法來進行測量。科學家發現，這些粒子整體運動得很劇烈時，溫度就會比較高，整體運動得沒有那麼劇烈時，溫度就會比較低。

所以，只有當粒子數量足夠多時，才有溫度。但是太空真的是超級空曠，平均密度要低於一立方米一個氫原子的水平。因此，拿個溫度計根本測不出太空的溫度。

同樣的，根據溫度的定義，我們也就容易理解絕對零度是咋得出來的。

具體來說，就是當粒子處於能量最低狀態時，所對應的溫度，這是在量子力學的理論框架得到的結果，是理論上的溫度下限值。我們可以通過理論計算出這個結果，也就是零下273.15度。

那你可能先問了，有沒有辦法讓溫度低於絕對零度呢？

我們可以從兩個角度來分析，首先，從理論上是不可能的， 因為在物理學中有個基礎理論叫做熱力學第三定律，這個定義大概就是不可能透過有限過程使系統冷卻到絕對零度。如果能做到絕對零度以下，那就說明理論錯了。

那實際操作中，有沒有可能做到呢？

其實物理學定律就是用來打破的嘛，沒有突破，哪來的新理論？

不過，搞出新理論的前提是紮實的實驗證據。因此，有一幫科學家一直在致力於製造出低於絕對零度的溫度。不過，到目前為止，還沒有人能夠做出低於絕對零度的溫度，他們只能做到儘可能地接近絕對零度。