為什麼零下273℃是宇宙最低溫度,1.4億億億億度是最高溫度

俄羅斯的奧依米亞康的極端最低氣溫達零下71攝氏度,被氣候學家稱為世界“寒極”。按這樣來說,零下273.15℃好像也沒有特別冷吧,但其實在整個宇宙來說,沒有物質的溫度能低於零下273.15℃,因為它也被稱為絕對零度。


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科學家發現的宇宙最冷之地——“回力棒星雲”,那裡的溫度為零下272攝氏度比絕對零度(零下273.15℃)高將近1度。這個“熱度”(因為實際上我們談到的溫度總是在絕對零度之上)是作為宇宙起源的大爆炸留存至今的熱度。

絕對零度可以說是一個理想的、無法達到的、完美的凍結狀態,很多人對於溫度和熱的理解都缺少一個概念,溫度的本質是一種態函數,用來描述物體內部原子熱運動劇烈程度。說白了就是物質內部粒子的平均動能。而在物理學中,是沒有“冷”這個概念的,“熱”是指由於溫度差別而轉移的能量。零下50℃也是“熱”,因為粒子還處於運動之中,


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在我們生活的三維空間裡面,粒子是不可能有負的速度的,速度>=0,至少我們認知的三維空間不可能,然後量子力學的不確定性原理認為,越精確地知道位置,則越不精確地知道動量,反之亦然。所以把等號也給抹了。那麼從定義上,溫度就存在一個達不到的最小值,當然了,粒子移動速度也有一個上限,光速c。所以其實溫度也是有上限的,被稱為普朗克溫度,這個數字就是1.4億億億億℃。

早在人類的觀察還停留在宏觀世界的時候,化學之父波義耳就觀察到硝石(硝酸鉀)溶解於水而吸收大量熱量,認為地球內部可能存在一種最低溫度,他把這叫做“原始冷”。


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後來,紀堯姆·阿蒙東注意到,當從沸點冷卻到冰點時,密封容器中的氣壓會下降“大約1/4”。由此外推的話,他推斷,如果繼續冷卻,氣體的壓力也許最終會在某個溫度之下完全消失——按照今天的標記,這個溫度大約在-300℃。再後來,隨著對理想氣體壓力和溫度測量精度的日益提高,人們發現這個推測不算離譜。1834年,克拉珀龍提出了理想氣體狀態方程,根據理想方程的推導,今天的絕對零度被定義為開爾文溫標下的溫度零點(也就是0開爾文),大約相當於-273.15℃。


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一旦達到這個溫度,微觀量子接近於靜止,所有原子的振動都會停止,分子也就沒有辦法熱運動,物質已經基本喪失了基本相態,量子力學不確定性原理將被打破,這個時候時間和空間都會失去意義,也就不存在什麼宇宙了。

從絕對零度被提出那一刻,科學家就想達到絕對零度,目前來自麻省理工學院的科學家激光冷卻鉀鈉氣體分子達到了500納開爾文,相當於一攝氏度的5000億分之一((比絕對零度僅高百萬分之幾攝氏度)。而想要繼續往下探索就非常困難了,所有物質的導熱率都隨著溫度下降而急劇降低,這意味著,想要從某處將熱量向外傳導需要更長時間。同時物質的比熱,也就是變化單位溫度所吸收或釋放的熱量,隨溫度降低而變得極其微小。

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這也意味著任何微小的行為都相當於再給物體加熱,假設一隻蝴蝶從10釐米高處飄落下來,停在一塊1釐米見方、溫度為0.001K(-273.149 攝氏度)的銅塊上,撞擊的能量就足以讓這個銅塊的溫度上升100倍。

在追尋絕對零度的旅程中,科學家發現了許多的科學原理與物理現象,比如昂內斯教授通過採用壓縮氮氣節流預冷氫、氫壓縮節流預冷氦,最終用壓縮節流的方法將氦液化,獲得了4.2K(-268.95 攝氏度)的低溫。成功將最後一種“永久氣體”——氦氣液化。

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昂內斯就發現,在非常低的溫度下,某些金屬會變成超導體。冷卻到某一臨界溫度之下,這些金屬的電阻會陡然下降15個數量級,幾乎與0無異。

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而當液氦進入2.17K(-270.98 攝氏度)時候,部分液氦就會進入超流態,一種可以完全無摩擦流動、完美導熱的狀態,如果將超流體放置於環狀的容器中,由於沒有摩擦力,它可以永無止盡地流動。當進入超流體之後,不管液氦中的哪個區域部分受熱開始要形成氣泡,附近的超流液氦就會將這些熱帶走,將氣泡消滅於無形之中。


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而達到絕對零度會發生什麼,沒有科學家可以預料到。如果人類可以製造出絕對零度,那麼宇宙構建的物理秩序或將被打破,熱力學第三定律就很直白地宣告:絕對零度不可達到!


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