為什麼宇宙最低溫度是

緣是也原草


首先,問題方向不要弄錯了,最低溫度究竟是多少並不重要,畢竟溫度的標尺是人類制定的:冰水混合物的溫度是0度,水沸騰溫度是100度(標準大氣壓下),如果當初人類制定的這兩個標尺有所變化,比如說我們定義“冰水混合物溫度為一億度”,那麼最低溫度就不會是-273度了!

重要的是為何宇宙中存在一個最低溫度(絕對零度),而不能再低了?

目前看來,並沒有什麼重大規律。簡單說,達到絕對零度後,宇宙中的一切粒子都停止運動了,絕度的停止,任何微觀粒子都是如此。

但量子力學的不確定性表明這是不可能的,不確定性表明,微觀粒子的速度不確定性和位置不確定性的乘積必須大於普朗克常數。這就註定了粒子的速度不可能為零,微觀粒子在任何時候都在不停地運動,實際上就是隨機出現在某個地方。

如果繼續深究下去,為什麼微觀粒子會具有不確定性?只能說它是微觀世界的特性,是一種真實存在的現象,並不是假設,但目前我們並不知道背後的真正本質。

不但宇宙中存在最低溫度,也存在最高溫度,那就是普朗克溫度,是宇宙大爆炸發生一個普朗克時間後的宇宙溫度,宇宙中任何溫度都不會高於普朗克溫度!


宇宙探索


為什麼宇宙最低溫度是-273度左右?為什麼不是-300度,這一定有重大物理規律嗎?

這個話題就像光速為什麼不是300000米/秒一樣,其實我們也可以將光速折騰到這個數字的,我們只要修改度量衡中的1M長度為: 299792458/300000000即可,光速立馬就從299792458米升格為整30萬米/秒,同理,我們將攝氏溫標重新定義,那麼絕對零度立馬就從-273℃變成-300℃,當然大家肯定不服氣,這不是耍流氓嘛,沒關係,咱簡單來了解下溫度我們認識溫度的歷史。

溫度的歷史,分子運動論的來歷

  • 早在1593年,伽利略的就發明了第一個溫度計,當然那很原始,不過已經知道了利用介質的熱脹冷縮來表示溫度。

  • 1665年,意大利天文學家惠更斯提出用水的冰點和沸點作為溫度的參考點(但當時還不知道氣壓和沸點的關係)
  • 1742年,瑞典天文學家安德斯·攝爾修斯將一個大氣壓下的冰水混合物規定為0℃,同時將一個大氣壓下的水的沸點定為100℃,並且在兩者之間均分為100個刻度。此方式在1743年被修訂成現行的攝氏溫標。

安德斯·攝爾修斯

  • 1799年,倫福德伯爵通過摩擦生熱的觀察提出了熱是一種運動的結論。
  • 早在1738年,丹尼爾·伯努利發表著作《流體力學》中提出了氣體分子運動論,1820年英國一位鐵道雜誌的編輯赫拉派斯獨立提出了伯努利曾經提出過的氣體分子運動論,並且認為壓強是氣體粒子碰撞的結果,而且明確的提出了氣體的溫度取決於分子運動的速度。
  • 1824年,卡諾出版了《關於火的動力思考》,在書中卡諾提出了理想熱機理論,奠定了熱力學的理論基礎。
  • 1827年,英國植物學家羅伯特·布朗利用一般的顯微鏡觀察懸浮於水中的花粉時,發現了分裂出的花粉微粒的不規則運動,後人將之稱為布朗運動。

布朗運動

  • 1848年,焦耳在赫拉派斯工作的基礎上,測量了很多氣體的分子速度。在焦耳的推動下,分子運動論開始被科學界重視。
  • 1848年,威廉·湯姆森(第一代開爾文勳爵)在《關於一種絕對溫標》中提出了需要一種“絕對的冷”(絕對零度)作為零點的溫標,使用攝氏溫標計量,威廉·湯姆森利用空氣溫度計測算出絕對零度為−273 °C

第一代開爾文勳爵:威廉·湯姆森

  • 1859年,詹姆斯·克拉克·麥克斯韋用概率論證明了平衡態下,理想氣體分子的速度分佈是有規律的,這個規律稱為麥克斯韋速度分佈律,並給出了它的分佈函數表達式。
  • 1905年,愛因斯坦除了發表著名狹義相對論以外,還發表了《關於熱的分子運動論所要求的靜止液體中懸浮小粒子的運動》,闡述了布朗運動的微粒,它的擴散將會以一個特定的速率(稱為均方位移)移動,而這速度取決於單位摩爾流體中的原子或分子的數量。
  • 1954年,第10屆國際計量大會(CGPM)的第3號決議標定了熱力學溫標的現代定義,以水的三相點為其第二定義點,並規定將其溫度修訂為273.15K。

上文是溫度的本質-分子熱運動的流水賬,從這個過程中,我們瞭解了攝氏溫標的由來,以及絕對零度的概念,還有分子運動論的起源,當然另一層含義是絕對零度是測算出來的。

如何達到絕對零度?

前文我們瞭解了溫度是由微觀粒子運動引起的。那麼何為溫度高低呢?微觀粒子運動運動越劇烈表示溫度越高,相反則溫度越低,那麼問題來了,我們是不是能製造一個不運動的微觀粒子呢?當然目的是製造最低溫度?

當然理論上是可以的,但事實上卻無法達到,因為沒有一種手段可以讓微觀粒子的運動完全停止。現代能製造最低溫度的設備是NASA的冷原子雲實驗室(CAL),一個類似冰箱大小的設備,於2018年5月21日被送到了國際空間站,在微重力的條件下展開激光製冷的實驗。

激光製冷:利用激光的多普勒製冷方式,每次以頻移欺騙原子,受激發的原子跌落基態會釋放吸收的能量,這個釋放能量大於吸收能量,每次操作都會讓原子失去能量,從而達到製冷的目的。

但即使如此,激光製冷仍然只能達到-273.1499999999 ℃,但距離絕對零度仍然有一步之遙!

總結

我們瞭解了溫度的歷史與接近絕對零度的一種方式,為什麼絕對零度是-273.15℃這是由一個大氣壓下冰水混合所定義的0℃的時候所決定的,以此時的0℃為標準,我們通過此時的微觀粒子運動劇烈程度計算出運動靜止時的溫度是-273.15℃,如果要重新定義絕對零度為-300℃,這完全沒有問題,畢竟微觀粒子停止運動時的標定是不會變的,取什麼名字,那是國際計量委員會的問題。


星辰大海路上的種花家


絕對零度,是熱力學的最低溫度,但只是理論上的下限值。熱力學溫標的單位是開爾文(K),絕對零度就是開爾文溫度標(簡稱開氏溫度標,記為K)定義的零點。0K約等於攝氏溫標零下273.15攝氏度,也就是0開氏度,在此溫度下,物體分子沒有動能和勢能,動勢能為0,故此時物體內能為0。

那為什麼宇宙最低溫度也就是絕對零度是-273度左右?為什麼不是-300度呢?絕對零度是根據理想氣體所遵循的規律也就是理想氣體狀態方程用外推的方法得到的。用這樣的方法,當溫度降低到-273.15℃時,氣體的體積將減小到零。

所以這是一個根據理論公式通過計算得到的數值,由德國、美國、奧地利等國科學家組成的一個國際科研小組在實驗室內創造了僅僅比絕對零度高0.5納開爾文的溫度紀錄,而此前的紀錄是比絕對零度高3納開。這是人類歷史上首次達到絕對零度以上1納開以內的極端低溫。

(開爾文與攝氏度的換算關係為: 開爾文(K)=273.15+攝氏度(T),1納開等於十億分之一開爾文)

智利天文學家發現了宇宙最冷之地,這個宇宙最冷之地就叫做“回力棒星雲”,那裡的溫度為零下272攝氏度,是目前所知自然界中最寒冷的地方,稱為“宇宙冰盒子”。

因為宇宙絕對不可能達到絕對零度,所以1912年,1912 年, 能斯特根據他所提出的熱定理推論, 得出:絕對零度不可能達到。敘述成定律的形式為:“ 不可能應用有限個方法使物系的溫度達到絕對零度,也就是熱力學第三定律。你也可以通過熱力學第二定律也就是熵增定律推出:

“在絕對零度下任何純粹物質完整晶體的熵等於零”。即
式中
——熵變化值;
——定溫過程


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