在我们每天的日常生活中,如果提到感觉 ,我们可能最开始会想到是味觉,嗅觉,触觉,感官,情感这些等等等等,这些也是我们最直观的,但是还有一种感觉,是我们无论醒着睡着,动不动,周围有没有人和味道,都会有的感觉,那就是温度 。 因为温度无处不在,我们太习以为常了,所以可能经常忽略了我们自己对温度的感觉,但是不要忘了,这种感觉可是无处不在的,因为我们人是恒温动物 ,身体常年维持在36.5 摄氏度左右。 在冬天,妈妈总会催我们穿上秋裤 ,因为怕我们冷,一到了外面有些人不禁感慨冷得"快冻成狗了",而到了夏天,炎热的天气让我们动不动就"热的一身臭汗",这种炎热让我们难以入眠,在夏日的傍晚需要在院子里乘凉。 这便是人对温度最直接的感官了,哪怕连一个刚出生的婴儿在会说话的时候,都会有对温度的感觉。那么聊到了温度,我们就不禁会想:宇宙中最高的温度,最低的温度究竟都是多少度? 虽然我们人类能承受的温度很有限,就算借助于取暖和制冷的设备,人类对温度的忍受能力也只有很小的一个范围。 当我们的手,不小心触碰到刚烧开的水的时候,甚至会不自觉地把手缩回去,因为实在太烫手了。但是我们要知道,宇宙中存在的最高最低 温度,可比我们人类能承受的温度的范围要广的多得多了,那么我们就来看一下,宇宙中存在最高温度和最低温度到底是多少,以及为什么会是这两个温度。 宇宙的最高最低温度,都是多少?高低温都是怎么产生的 宇宙的最高温度和最低温度都是多少?我们先给个答案,然后慢慢地来解释,为什么会是这样。宇宙中的最高温度也可以称之为普朗克温度,是1.42*10^ 32开尔文 ,什么概念的,大概相当于是1.4亿亿亿亿度 。 而宇宙中的最低温度,也就是我们高中所学的无限接近于绝对零度的温度,也就是-237.15摄氏度 。看到这两个数字,人们不禁觉得惊讶:为什么最高温度和最低温度的差距会有这么大? 我们平时烧开水,也就一百度,都让我们觉得"烫到不行",而1.4后面跟着四个亿字的这个概念,到底要有多烫呢。事实上,宇宙真的曾经达到过最高温度,但是却没有达到过最低温度。在宇宙大爆炸的那个瞬间的温度,曾经达到过普朗克温度。 要讨论温度是怎么产生的,就不得不提到马克斯韦-玻尔兹曼 分布。麦克斯韦-玻尔兹曼分布,描述的是一个恒定的温度下,微观粒子的运动速度的分布概率,而它在物理和化学上都被广泛应用。 我们在初中高中的物理化学课就了解到,宇宙中的一切,都是有粒子构成的。而这些粒子,绝对不是静止不动的 ,实际上,它们的运动规律,倒是挺像我们平时说的"没头苍蝇乱撞"一样。 它们到处乱动,毫无任何规律可言,单独看一个粒子的话,我们完全就不能用速度,为之范围来描述它的所在。而粒子的这种运动,被称之为著名的"布朗运动 ",因为这是由一位名叫布朗的科学家通过观察这些"到处乱撞"的粒子,发现的不规则运动。 在任何宏观的物理系统中,温度这个概念,都是因为存在在该系统中的分子和原子运动的结果。比如我们可以想象一下烧开水的过程,由于水分子的剧烈运动,高温因此产生。 如果我们单单去看一个分子的运动速度和方向,是找不到规律可言的,但是如果我们把一堆粒子想象成一个团体,他们之间的速度,由于互相形成碰撞而不断变化,而微妙之处就在于,这些粒子的运动速度,竟然可以找到规律,这个规律就是-处于特定范围的粒子,占所有粒子的比例是不会变的 。 了解了这个概念,就很容易理解高温度和低温度的产生了。所谓的高温度,不过就是分子剧烈运动的结果,而相对来说的低温,就是分子运动的没有那么剧烈的结果。 因此,温度的这个概念,也有了另一个数字可以形容它,那就是平均分子动能。平均分子动能,和温度是一个呈正比的关系,平均分子动能越大,温度就越高;平均分子动能越小,温度就越低。 宇宙最低温度,为什么不能被达到? 上面我们也讲了,温度不过就是分子运动产生的,那么宇宙中可以达到的最低温度,也就是绝对零度这个概念,如果我们认真的思考一下,怎么能达到绝对零度呢? 事实上,绝对零度的这个数值,并不是在哪个地方被达到,然后我们测算出来的,而是经过函数的推理得出来的。 理论上来讲,如果要达到零下273.15度(也就是绝对零度)这个温度,我们要一直一直减慢粒子的运动,知道他们完全完全停止运动,但是这是不可能发生的 ,因为根据量子力学的理论,一个粒子的动量和位置不可能同时被确定下来,换种通俗易懂的语言就是,一个粒子不可能完全停下来。 所以,这个零下273.15度的最低温度,完全是数学计算的结果 。 那么这个值是怎么被计算出来的,可以达到这么精准?推算出这个温度,首先我们要从一条定律说起,也就是盖 吕萨克定律,它阐述到,一定质量的某种气体,在压强不变的情况下,体积与热力学温度成正比,由此衍生出PV/T=C这样的公式,P代表压力,V表示体积,T表示温度,而C则是一个常数。如果理想气体的V-T图做出来,然后反向延长这条线至与x坐标轴交点的位置,就可一目了然地看到这个绝对零度,也就是-273.15度 。 人类所发现的高温,一步步上升到新的高度 聊完了宇宙周最低理论温度-绝对零度,就让我们来看看宇宙中的高温度,究竟能有多高? 前面也提到过,高温的产生,就是粒子剧烈运动 ,具有相对来说高的动能的结果。面对高温,我们人也会有很多感觉。 在炎热的夏天,周围的空气中的分子运动比温度低的时候相对速度要快一些,而这种运动产生的动能是可以传递的,所以当我们人吸收了这种动能,我们身体内的分子,或者说皮肤表层的分子也开始比平常相对"快速"的运动起来,所以会感觉到"燥热 "。 也许这不够好理解,那么我们来看一下,如果人的手指头摸到了开水,是一个什么样的过程。开水的水分子经过加热,十分剧烈的运动着,而一旦我们人手指碰到这些剧烈运动的水分子,就会迅速吸收它的动能 ,让我们手指上的分子运动程度极速增加,然后刺激到手上的神经,这样的信号经反射弧传递给大脑,就形成了我们认为的"烫" 的意识了。 对我们人而言,100摄氏度的开水已经足够烫了,很多人用60摄氏度以上的水洗澡都觉得烫到难以忍受,而我们平时不常接触到的金属的熔点,也不过几千摄氏度而已,比如我们经常用的金属材料铁,在1500摄氏度的情况下就会融化,形成铁水,供人们塑造成各种形状以便使用。 熔点最高的金属之一的钨,也只有3400度的熔点而已。这些温度也许是我们能想象的极限高温了,但的确存在着比它们高的多得多的温度。让我们难以想象的是,在磁约束核聚变的内部,持续反应温度竟然可以达到一亿摄氏度之高温 ! 这么高度温度,是不是就是人类所能创造出的最高温度了呢,我们也许会这样认为,但是答案却是否定的,因为在2010年,美国纽约国家实验室中,曾经产生过4万亿度 的高温。 产生这样的高温,是因为科学家利用了重离子对撞机 ,把两束金属离子进行加速后让它们对撞产生的结果。这样的温度,竟然比太阳的中心还要高出了二十五万倍之多! 而到了2012年,科学家们更上一层楼,制造出了5.5万亿度的高温!这么高度温度,让人不禁害怕,一旦这种反应不受限,岂不是会瞬间烧毁地球?然而我们真的多虑了,因为虽然是极度高温,但是热量却是很少的,所以根本不足以点燃任何我们肉眼可见的物体。 宇宙中最高的温度存在吗?高温真的有上限吗? 因为科学家们不断地发现更高的温度,在物理实验室中,不断有更高的温度更高值被创造出来,新的记录一次次打破,因此在很长的一段时间里面,科学家们都认为,温度是没有上限的。 然而随着量子力学和相对论的不断发展,当代的物理学家们认为,温度这个概念,其实还是存在上限的,而这个上限,曾经站在宇宙大爆炸那一瞬间达到过,这个温度就是前面提到的普朗克温度 ,而到了现在,暂时还没发现比这更高的温度。 结语 关于宇宙中的最低温度,似乎已经经过数学的计算,有所定论,而且大家都公认,这个温度是不可能达到的,但是对于宇宙的最高温度,科学家们却分成了两派说法。 一派说法也就是我们上面所说的,认为普朗克温度是宇宙最高温度 ,而一旦超过这个温度,分子运动即将失效,就好像我们说的在绝对零度,分子运动会完全停止一样。 然而另一派科学家却认为,宇宙最高温度比普朗克温度略低一些,只有10^30开尔文左右。 关于这两种说法,还没有足够的论证来说明究竟哪一种才是正确的,事实究竟是什么样子的呢?也许在不久的未来随着科学的发展,相关的物理学家会给我们提供一个更完善的答案。