为什么速度有上限(光速),温度有下限(绝对零度)?

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因为我们生活在一个有限的宇宙中。

有限的宇宙中容纳不了无限之物或者无限之属性,无论是哪一种属性,都不可能是负无穷到正无穷,任何一种物理属性,速度、温度、质量、体积、密度等,只要能想得出来能进行测量的属性,取值范围都不可能是负无穷到正无穷,只能在一个有限的集合中进行取值。


所以,题主的问题可以拓展一下,温度不仅有下限,同样也有上限,上限就是宇宙大爆炸那个瞬间的温度,至此之后,宇宙中不可能出现超越宇宙大爆炸那个瞬间的温度,那就是我们这个宇宙中温度的上限值,它大约是多少呢,经物理学家估算,大约为10^32K。

图示:宇宙的温度变化图,宇宙创生的瞬间10^-43秒时,决定了我们这个宇宙温度的上限为10^32K,超过这个温度,等同于您就能创造一个新的宇宙。


现在,我们来说说,速度上限和绝对零度是怎么回事儿。

先说绝对零度,这个比较简单,就一句话。

绝对零度是粒子绝对静止或达到量子力学最低点时的温度,因为温度的本质是粒子的运动,此时的温度被标记为0K,或定义为绝对零度。

图示:对理想气体温度和压力关系的研究,推算出了绝对零度的值。


在研究超低温世界的时候,物理学家发现了许多奇妙的物理现象,比如最著名的超导现象(电阻为零),比如超流体现象,液氦能翻越一定的障碍,自动地从高处流到低处。

图示:液氦的超流体现象,液氦能自动从高处流到低处,这听起来不稀奇,但稀奇的是它能翻越障碍。这就像你放在桌上杯子里的水,自动从杯子里流动了杯子外,不是从下面漏的而是从上面漏的。


目前超低温物理学家达到的极限低温是低温实验室在1999年达到1.0×10^-10K。但根据量子力学原理,绝对零度是可望不可即的,因为存在真空能,只要能量大于零,温度就不可能等于0,说到最后,一切都和能量有关。


速度上限的原因,因为能量是有限的

注意,不论真空光速的具体速度是多少,有静止质量的粒子都不可能超越真空光速,这是由爱因斯坦的狭义相对论所决定的,随着运动粒子的速度增加,其质量不会保持不变,而是会变大,随着速度越来越接近光速,那么质量也就会越来越大,当速度达到光速时,质量也将达到无限大,这意味着这个运动中的粒子将拥有无限大的能量,这是荒唐的。

图示:只有当粒子的运动速度非常非常接近光速时,其质量的变化才变得十分显著。


因为在我们这个有限的宇宙中,容纳不下一个拥有无限大质量的粒子,因为整个宇宙的全部能量在宇宙大爆炸那一刻就被决定了,它只有10^19GEV这么多,不管这个数字有多大,它都是一个有限的数字,不是一个无限的数字。


那为什么光子能达到真空光速呢?

因为光子并没有静止质量,所以光子在真空中以真空光速时,就不会拥有无限的质量和无限的能量,否则任何物体被光子一照,都将灰飞烟灭了,不仅物体灰飞烟灭,整个宇宙被这一照都要灰飞烟灭呢。但光子拥有所谓的运动质量,或者相对论质量,这个质量可以根据爱因斯坦的质能公式进行换算 E = MC^2,根据光子拥有的能量可以得到它的运动质量。



另外,关于光速还隐藏个一个更深奥但很少有人关心和意识到的一个问题:

为什么光速(真空)大约为每秒30万公里,而不是每秒三百万公里又或者每秒3万公里呢?

当然这些数字都是在现有的度量衡下得到的,而不是通过耍无赖改变每公里的长度或者改变每秒钟的尺度来搞数字游戏,那样做您想得到什么数字就能得到什么数字。如果真空光速发生剧烈变化对于我们的宇宙意味着什么呢?部分物理学家正在思考这个问题。


与此相关的问题是,亘古以来,宇宙中真空光速是否在发生着细微的变化,比如从前的光子比现在的光子运动得更快一点或者更慢一点?目前这个问题还没有确切的答案。


唯一的例外大概是黑洞,据说黑洞有无限密度,但这导致了一个悖论,物理学家正在修复这个悖论,最终的结果很可能是黑洞也不能拥有任意一项无限的属性,比如密度。

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速度理论上其实是没有上限的,在相对论中,只是说光速恒定以及无法将一个低于光速的物体加速到光速。人们通过对狭义相对论的进一步研究发现,速度原本就超过光速的快子的存在并不违背狭义相对论,但到目前人们对快子的特性并不清楚,也不知道为什么不能发现快子。

而至于为什么温度有上限就要通过了解温度是怎么来的。

首先,温度的定义是怎么来的?


人类对于温度的研究,基本思路就是先定性再定量。对于温度的研究源于人类的感知,就是这个东西我能摸出来,它是比较冷还是热,这个我们能感受得出的,这叫定性。那它到底有多热呢?也就是想个办法去定量,所以温度计就出现了。早期的温度计不管是酒精的还是水银的,它们的原理都是通过热胀冷缩。不同温度下水银或者酒精膨胀的高度不一样,那妥了,定量的手段有了。那具体怎么定量呢?我就选两个不同温度的物体给它定上数,然后中间再等分,这样我不就可以向外拓展了嘛就?比如说1742年瑞典的天文学家摄尔修斯把水的沸点温度定义为0冰点定义为100.你会问,是反了吗?最早确实就是这么定义的,因为瑞典这个地方不能说它偏冷,反正平均气温就是0度左右,所以把水的沸点定义为0,冰点定义为100,就可以避免大部分天气的温度出现负数。后来有一老哥叫卡尔·林奈植物学家他说负数就负数吧,但是按照常理来讲应该是数越大温度越高,这样比较符合直观感受,所以就改成了现行的摄氏温标,也就是我们现在说的摄氏度。我们为什么要定量呢?定量只是研究的手段,定量是为了研究你之前定的那个性,就是回过头来再去研究性质,然后去寻找某种因果关系。说的高大上点这就是科学方法论,这也是科学和不科学之间最大的区别。

温度的性质是怎样的?

温度的标准制定完了,开始研究温度的性质了。两个问题,第一个问题同种物质它的温度变化和什么有关昵?就是哪些参数能够影响它的温度。第二个问题,温度的本质是什么?为什么同一个物体的温度会变化啊?到底是哪变了呢?其实你会发现这两个问题本质上是一个问题,对于第一个问题的研究早在17世纪人们就有所发现了,那时候热力学可还都没建立呢,正处于萌芽时期,最早是法国物理学家阿莱顿(1663年8月31日-1705年100)他发现空气的压强变化与温度变化似乎是成正比的,多次测量后,在一大堆数字中最终发现温度降低等量份额气压也会降低等量份额。这件事有意思啊,那顺着这个思路去想,温度降低气压也会降低,那温度能不能降低到一个极限呢?能最多就降到气压趋近于0呗,所以这个时候人们就发现了温度很可能是有下限的,后来一个世纪之后法国两位物理学家查理还有盖一吕萨克,这二位建立了严格的气体定律,说气体的温度和什么有关呢?和压强还有体积。压力恒定时,一定量气体的体积与其温度T成正比,这就是总结出来的结果,当时的实验是这样的:1787年查理做了个实验,把提纯之后的氧气、氮气二氧化碳等气体从0度加热到100度,然后住尽量保持压强不变的情况下,看它们体积的变化,首先查理发现随着温度的变化,气体体积的膨胀速率一定。其次,查理还发现任意气体从0度到100度,压强不变的情况下它的体积会增加,根据实验的数据就可以得到气体压缩系数,就是温度没变化一度体积变化多少。根据实验数据可以算得如果现在某个气体温度是0摄氏度,理论上我要是把它降低到零下273度,它的体积就会变成0!当然具体273这个数值取决于你测算压缩系数的精度,现在我们用的1273.15这个数值是到了1847年法国物理学家勒尼奥他测算出来的,也就是说温度确实存在下限,在摄氏温标当中就是零下273.15摄氏度,后来开尔文就说,那我也来建立一个温标吧,就从这个最低温度开始定义为0,开氏温标最大的好处就是没有负数,这就是开氏温标的由来。它不是随便选了一个273.15,是先算出来这个数,开尔文的意思就是我不管这个数具体等于多少,之后随便测算的精度有没有变化,反正我要把温度的下限定义为0,这样没有负数,好计算,所以开氏温标对于科学研究比较友好,但是生活当中,如果用开氏温标就不友好了,用摄氏温标在生活中一般都是50以内加减法,很好算,如果用开氏温标那就是500以内加减法,然后还带小数点不方便,不过本质上是一样的就是了,零点选择不同而已。



而且这个温度的下限它还只能接近,不能达到

人们在实验中发现一个问题,气体温度不可能降低到0下273.15摄氏度,因为体积会变成0,这是不可能的人们发现这也确实不可能,就是某个气体温度降着降着就变成液体了,液体就不符合气体定律,那你这个绝对零度到底准不准啊?这个问题的解决是又过了半个多世纪,直到了1906年德国物理学家化学家能斯,他提出了能斯待定理,就是现在总结出来的热力学第三定律:不可能通过有限循环过程,使物体的温度降低到绝对零度。其实能斯特定理没这么简单,它是首先肯定了绝对零度是存在的,然后说这个绝对零度你还到。至此我们对于绝对零度才算是有了一个比较清晰的定义,不过咱们前而说的都属于是宏观层面。对于第二个问题就是热的本质是什么?还要等到热力学微观理论的建立也就是气体动理论。根据动理论说热的本质是物质分子剧烈运动的程度,分子运动的越剧烈温度就越高,其实动理论也有过对手,就像是人们研究光两套理论波动说和微粒说一样,最后打了个平手。对于热也有两套理论,一个是动理论,一个是热质说,后釆热质說就被彻底打败了,最早触碰到动理论的人就是大名鼎鼎的欧拉,欧拉在1729年就是22岁的时候,把空气分子看成是一个个理想球体,然后估算出了常温下空气分子的平均运动速率,欧拉说大概是477米秒,已经很接近了按照现在的理论,大概是460米每秒左右。空气分子运动的还是很剧烈的,按照这个理论我就更容易理解绝对零度了温度为什么会存在下限呢?就是当所有分子全部静止的时候,就是它的温度下限不,可能比这个再低了.在微观层面我们也更容易理解为什么绝对零度永远不能到达,因为存在量子涨落,就是说微观粒子的动量和位置你不可能同时确定,这就意味着微观粒子永远停不下来,要是停下来动量和位置你就都知道了.所以不可能把一个系统的温度降低到绝对零度,只能接近.


星物語


速度的上限应该正确表述是光在真空中的速度,因为有些介质中光速很慢,是可以超越的,绝对零度确实是温度下限。

速度有上限

光速是有麦克斯韦方程组算出来的,然后经过实验验证的结果。

由麦克斯韦方程组计算后得出光速:

可知,光速只与物质的介电常数和磁常数有关,与任何参照物无关。

不同的介质介电常数和磁常数不一样,所以光速在不同介质中的速度是不一样的。

在宇宙真空环境下,其介电常数为 ε0=8. 854187817×10-12F/ m 磁常数为 μ0 = 4π × 10-7 N/A2 = 4π×10-7H/m

故在真空下光速为

爱因斯坦根据麦克斯韦方程组定义真空下光速不变原理,由此构建相对论大厦,根据相对论,物体在真空中的速度是无法超过光速,光在真空中的速度可以认为是速度的上限。

但不是所有介质中光速都不可超越。在有些介质中,物体的速度确实可以超过光速,这也与相对论并不矛盾。光在不同介质中的速度不同,在爱因斯坦凝聚态中,,速度甚至小到只有10多米每秒,在此介质中如果有粒子的速度超过光速,那么超过光速的粒子会划出一道短暂明亮的蓝光。

温度有下限

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。

所以在理论上,若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。那么此时的温度为理论最低温度,即绝对零度,开尔文单位为0K,摄氏度单位为-273.15℃。这是一个无法达到的温度,自然界的温度只是无限逼近绝对零度,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。

宇宙最冷的地方

“回力棒星云”,是目前所知自然界中最寒冷的地方,称为“宇宙冰盒子”。其温度-272℃,仅比绝对零度(-273.15℃)高将近1度。这个“热度”是作为宇宙起源的大爆炸留存至今的热度,是证明大爆炸理论最显著有效的证据之一。


有初有终


速度和温度都是描述物质运动规律性的物理量,只不过是速度是描述物体的宏观现象,即物体运动的快慢。而温度是描述物体的微观现象,即分子运动的剧烈程度。

所以要探究物体运动的极限速度和分子运动极限温度必须从宏观世界和微观世界两个角度去理解。



宏观物体的运动有极限速度,即C=3x10^8m/s,主要是受物体质量的约束,按照爱因斯坦的质能方程(E=mC^2)的理解,当物体运动速度达到很大时,其质量会不断地增大,客观上,物体的质量是一个定值,因为质量是物体所含物质的多少,对于确定的物体,组成物质的分子数目是不变的。所以,质量的增加,不过是"视质量"。换句话说,当一个物体达到光速时,实际上是不存在质量了,它们是以能量的形式存在,如质子、中子、光子波色子等基本粒子。反过来说,只有"无质量"的粒子,其运动速度才能达到光速,如能量、信息等,自然界中的物体都是由分子和原子构成,不可能达到光速,假如达到光速,物质的形态亦不存在了。!



如果物体的温度下降,分子或原子的运动速度就会变慢,我们可以用科学推理法,假如温度降到足够低,分子运动不也就停止了吗?这个结论与分子动理论相矛盾。所以,不存在极限温度。oK(-273℃)是人类用数学方法推导出来的温度,实际上不存在这个温度,因为这个温度坐标是一次函数的延长线的交点。所以,科学家认为可以把这个坐标作为一个温标的起点,这样,才诞生了热力学温标。实际上宇宙中不存在这个温度值。假如物体达到这个温度,物质就不存在了,这可能吗?



总之,人类对宇宙的认识有极限,物质运动有极限。


理性科普者


这个问题的提出其实本身就是不正确的。因为虽然温度存在着理论上下限,但是速度并不存在着理论上的上限。

之所以温度有下限,哪是因为温度是热运动的表现与反应,当一切的运动都归于静止时,哪么这个温度也就达到了理论上的绝对零度。对于绝对零度而言其实还有一个潜在的规则,那就是由于在整个宇宙中根本无法消除一切的热运动,所以尽管随着全人类的科技发展,超低温的温度也在一次次的被打,但是绝对零度仍然是无法实现的。甚至也可以说绝对零度是根本不存在的。因此可以充分的定义,最低温度只能够存在于理论之中,而现实中是不存在这个温度的。

另外,关于速度的问题,其实速度到底是个什么存在?这取决于生物的感知系统,因此速度既有客观性也有主观性,速度本身就是主观与客观的结合。这样讲可能现在还有很多人不能理解,为了便于大家理解的方使,下面我就给大家举一个实例说明这个问题。例如在天空上产生雷电了,哪么一般人就会有两种感应到这个雷电的方法,一个是通过听觉而感应到这个雷电的存在,另一个是通过视觉而感应到这个雷电的存在,又由于光速大于声速,这也就产生了我们对这个现象的一般认知,既先看到了闪电然后才会听到雷声。好了既然我们有了这个认知就可以分析以下现象了,我们可以试想一下有一个先天的盲人,他会怎样看待这个雷电?由于他天生没有视觉,这也就使他完全丧失了视觉的主观认知,他能够做到的也就仅仅是通过听觉的主观感知而感觉到雷电的存在。因此这时候如果有一个正常人给他讲光速的感知速度,哪么这个盲人无论如何也是无法理解的,这就是主客观无法结合的结果。在这里生物的感知能力就是主观的,而具体的光速和声速的存在就是客观的。经过这样的分析,相信大家现在已经可以理解速度既是主观的也有客观的这句话了。

有了这样的认知,我们就可以更深的考虑一个问题了。光速虽然很快,但是它真的就是客观存在的最高速度吗?生物的视觉虽然能够感应到光如此快的传递速度,但是生物的感知功能真的已经能移感知到了宇宙所创造的最快速度了吗?听到了这样的问题,我相信大家已经不会再有答案了。既然没有答案,哪么我们不防展开分析一下这个问题,由于目前生物感知的最快的速度仅仅是光速,所以这也就决定了两个事实的存在。第一个是一旦超过光速必然就会产生光速无法赶超的黑洞现象;第二个就是在可见或者不可见的光谱范围内,光速才是极限速度。当然我们讲的这个速度是真对宇宙空间绝对静止系而言的绝对速度,而不包括可以叠加的相对速度。由于在计算相对速度过程中是可以叠加,且是必须叠加的,这也就决定了相对超光速是无处不在的,并且在可见或者不可见的光谱范围内,二倍光速才是真正的极限速度。另由于绝对超光速会产生光速无法赶超的黑洞现象,这也就决定了绝对的超光速必然会存在于宇宙黑洞天体的不可视界面之内。

因此说,光速不仅不是极限速度,而且速度也是没有上限的。


天泽方圆之杨春顺


很随意的闲聊,不要过于当真。

站在科学定义角度讲,是不存在数值上下限这个概念的,只会在不断探索中不断更新。另外,科学需要可验证,可复现,可实现等基本要素。很明显光速与开尔文零度目前均无法验证。

自秦始皇登基以来,统一了度量衡。而上下限正好是一个度量衡需要用到的一个指标,没有就无法展开后续工作,并不代表就没有更快更低。

中国擅长文字游戏,欧美擅长数字游戏,欧洲物理学的快速进步促使了需要对很多领域做数值上的定义,否则所有数值都会出现混乱,即便给出值误差很大,也不影响当前的计算与应用,以后逐步替换数值即可。

当前光速定义是自然界已知物体运动的最大速度,未知领域的并没有(完全)包括在内,就算这一理论或推论有爱因斯坦、牛顿等人的推导,都已经是上世纪的事了,只是暂时没推翻,因为当前科技也没能力证明极限,或者还不影响计算精度。随着科技进步会逐步接近,完全吻合,或全面更新。

光速不考虑参照点,仅已自身出发点为标准,速度为30万公里,没有叠加速度。

绝对零是威廉•汤姆逊•开尔文在1848年提出,用当时的空气温度计测算出的,是“理想气体分子停止运动时的温度”。不说测算的严谨性,即便有误差,也只是数值问题。按概念,如果本来就没有的,那里的温度就是绝对零度或可能低于绝对零度,有物质的地方只会无限接近零。

因此上下限仅仅为了便于计算,给出了一个短时期不会被替换的数值,是一个量化指标。在使用中逐渐产生怀疑,然后去求证,最后获得一个真实值,然后整个物理学调整误差,进入下一代文明。

有一种说法,可以肯定的是公理,可以证明的是定理,推导出来的是推论,有前提的是定律。光速与绝对零都是有前提条件的。光速是推论,要求真空,绝对零是定律,只适用冷原子实验室。


梦景仙


是宇宙物理源,延伸作用力,产生重虚贯力。


潇潇洒洒一二郎


我们的宇宙,诞生之时就确定了自己的物理常数。由此也就对其中的各种事物规则都做了框架。当人类有能力创造宇宙的时候,我们就有可能携带自身的物理常数去穿梭于各个宇宙。


选个名这么费劲


速度的上限来自于人类目前认知的上限。温度的下限亦如此。都是当前的真理但不一定是宇宙真理,目前来看,温度下限问题可能更接近真理。


崇正堂


估计是原子运行(电孑绕核)速度所致


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