宇宙最高温度为1。4亿亿亿亿度?那为啥最低温度才只有273。15?
前言
人类是恒温动物,自身调节体温的机制比较完善,即使外界环境温度不断变化,人体也能够保持体温的相对稳定。我们之所以能够感知到冷热,就是因为体内存在一种" 温度感知器 ",科研结果显示,人体皮肤表面存在着大约 25~30万个感受细胞 ,能够敏锐感知出冷热的不同刺激。
不同部分分布的感知冷与热的细胞数量不同, 人体四肢的感知细胞比躯干更多,这就是四肢对冷热的反应比躯干更加强烈的原因。 人体的标准温度是 36~37度 ,过高或者过低都会令人产生不适。
人类在不同环境下各部位的温度值
当体温超过 40℃ ,人体便会十分虚弱,高烧导致 昏厥、脱水、呼吸困难 等,超过 44℃ 基本就无法存活了;当体温低于 35℃ 时也非常危险,很可能出现 呼吸和心率加快、身体颤抖的状况。
在物理学领域,温度是我们感知环境的重要指标,自然界中那些温度过高或过低的地方都非常不适宜人类前往或居住,比如 高温的沙漠与极寒的冰川 ,都被归为环境恶劣之地。
实际上,这些自然温度都不算什么,宇宙最高的温度经过计算为 1.4亿亿亿亿度 ,而最低温度仅有 -273.15℃ ,这是为什么呢?
宇宙物质聚集被气体晕包围,温度更高温度的定义与测量
在了解所谓的"最热"与"最冷"温度之前,我们需要先来了解一下温度的定义与本质,弄清楚温度的决定因素是什么。测量温度时,人们往往基于一个可以被观察的现象,例如 水银柱的膨胀 。从物理学来说, 温度是各个物体内分子之间平动动能的一种表现方式。 分子运动论
分子运动论的解释是, 分子热运动的集体表现, 即 温度是一个统计计量 。物体处于运动之中,温度自然也受到分子运动剧烈程度的影响。 微观上的分子运动越快,温度也就越高,物体便越热;反之,分子运动越慢,其温度也就越低, 物体给人的感觉就会很冷。
分子运动与温度的关系
人类对于温度最最直观的感受便是每天的天气气温,我们经常在天气预报中听到某天某地是多少摄氏度。
这个 摄氏度是温度的一个计量标准 ,世界上计量温度的单位不同,使用较多是 华氏温标、摄氏温标以及国际实用温标 。
历史上,人类测得的最高气温来源于 1922年非洲利比亚的权埃尔阿奇亚地区 ,当地最高温为 57.8摄氏度 ,比是地球15℃的平均气温高出近 4倍 !
既然我们知道了温度的本质即分子运动的剧烈程度,那么生活中的温度变化也就不难理解了。水被烧开沸腾,就是因为水分子进行剧烈运动,在 沸点 出现汽化现象。水的沸点为 100℃ ,这是水在一个标准大气压下所能达到的温度,无法再继续上升。
水的沸点为100℃
100℃对于人体来说非常热,我们的皮肤触碰沸水到会立马被烫伤,甚至大面积接触还可能致命。不过100℃的温度实在不算高,地球上比水的沸点高的温度实在太多了,例如 纸张燃烧的温度是其一倍,足足有200℃ ;
火灾的温度就更高了,烈火在燃烧时温度在 400℃ 左右;此外,一些助燃物质可以帮助升温,酒精燃烧温度达到了 600℃。 太阳的温度
不过,这些数据若是放眼至整个宇宙空间,那么它们就显得不够看了。太阳系中永远发光发热的"火球"太阳的温度比起地球上的温度高了不知多少倍。 太阳表面的温度高达6000摄氏度,内部温度更是达到了惊人的1500万摄氏度。
太阳内外温度不同
地球上已知的 熔点最高的物质是铪合金 ,它的熔点在标准大气压之下是 4200℃ ,和太阳表面温度比起来还少了 1800℃ 。
其实不需要这些数据对比,太阳的热度对于人类来说,实在太深有体会了,每年夏季,地球公转到离太阳更近的地方,阳光暴晒的地面就宛如被火炙烤一般,实在令人难以忍受。
理论上来说,太阳的温度足以把靠近它的一切物质融化掉,任何一点渣滓都不会留下。 地球上熔点最高的物质也无法靠近太阳完成温度测量的工作 。既然如此,科学家又是如何得知太阳温度的呢?
太阳辐射能量分布图
答案就在于 辐射能量 之中。宇宙中的物体时时刻刻都在向外界散发辐射,高温的太阳也不例外,太阳向宇宙发射太阳风,里面 含有大量辐射和紫外线 。 根据太阳散发的太阳辐射,科学家对太阳的光谱进行估算,由此得出了太阳的表面温度。 宇宙最高温:普朗克温度
既然太阳最高的内核温度也只有1500万摄氏度左右,那么宇宙最高温的 1.4亿亿亿亿度 的数据又是从何得来的呢?宇宙中还有比太阳温度更高的物质吗?这个数据实际上来源于 普朗克温度 ,即 宇宙最高温度的极限值。
普朗克温度是如何得到的呢?它其实是 基于宇宙大爆炸起源的一个理论数值 。关于宇宙起源,当今科学界认同度最高的便是" 大爆炸假说 "。
最初,时空快速膨胀,以至于粒子无法相互作用,无法进行热交换。到了大约 138亿年前 ,宇宙发生了一次大爆炸,诞生了如今宇宙中的一切物质。
宇宙大爆炸
宇宙的最高温度就曾经出现在 宇宙大爆炸之后的一瞬间 ,那时的温度就是整个宇宙138亿年来最高温的极限,即普朗克温度,此后再也没有比这还要高的温度了。
粒子物理学是研究宇宙的基础,根据粒子物理学的标准模型,宇宙最高温度算下来为1.4亿亿亿亿度 ,这是极其庞大的数字,看起来是这样的:142,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000。
普朗克温度计算公式
温度的本质是分子热运动的剧烈程度,如何去衡量最大运动?又如何将能量提升到无穷大?这是不现实的,我们无法在现实世界中去观察到,但从理论上来说,如果分子热运动的剧烈程度足够大,超越了宇宙大爆炸的时刻,普朗克温度是不是就不算是最大值了?
这是不可能的, 任何分子的热运动都无法再达到这一水平 。因为相对论告诉我们, 粒子运动只能无限接近于光速而永远无法超过光速。
当粒子的运动速度无限趋近于光时,就会超越一个 临界点 ,此时粒子就会成为 黑洞 ,成为一个 奇点 。这时粒子便会失去它作为物体的一切属性,包括 温度 。
黑洞
所以,从宇宙诞生这一刻起, 它便在一直增长和冷却 。爆炸的那一瞬间便是宇宙中最热的时刻,也是有史以来温度最高的时刻。 绝对零度
与最高上限的1.4亿亿亿亿度相比,温度的下限就显得稍显"渺小",因为它只有 零下273.15摄氏度 ,这一温度被称为 绝对零度 ,和普朗克温度一样,这是一个只存在于理论上的极限值。
量子力学中的基础理论之一不确定性原理表明, 粒子的速度与位置无法被准确测量 ,因为粒子本身的属性便决定了。
理论的提出者、德国物理学家 沃纳·卡尔·海森堡 发现粒子有两个参数, 动量和位置 ,它们是无法被同时测准的,不确定性原理又被形象地翻译为" 测不准原理 "。
海森堡的测不准原理
因此, 绝对零度无法被测得,只能通过理论得到 。除非粒子完全静止不动进行测量,但这违反了量子学理论。 迄今为止,科学家尚未在自然界发现温度低至绝对零度的存在。 绝对零度为何是宇宙温度下限
宇宙最低温度的数值为何受到绝对零度的限制呢?这依然需要我们从微观的物质世界去探索。 组成物质的成分是微小的粒子,微观世界中粒子的运动构成了宏观世界物体的运动。
构成物质的粒子之一便是 分子 ,分子热运动的加剧导致温度上升,这一运动可以无限提高,分子越来越活跃。但 当分子的运动减弱,温度就不断下降到达零下 。
当分子运动完全停滞时,温度也就跌至绝对零度,这是因为 微观世界的粒子都不再运动了,完全处于一个静止状态,所以温度当然不会在继续下降了。
分子完全停滞才会达到绝对零度
然而,科学家通过进一步研究发现, 粒子完全处于静止状态只存在于理想之中 ,现实是不可能出现这一情况的。
因为运动是绝对的,万事万物都于运动变化之中,静止只是一种相对的状态。 宇宙中不会存在绝对不动的物体,因此也就不存在绝对零度。换句话说, 最低的温度也只能无限接近于-273.15℃,而无法真正达到这一目标。
热力学第三定律 也能够表明绝对零度的理想化,因为任何空间中都绝对存在着能量和热量,即"真空不空",因此宇宙中的物体永远只能无限接近-273.15℃这一数值。
除非未来某一天,现有的物理学理论得到了颠覆性的突破与发展,否则绝对零度都是无法实现的。
热力学第三定律
分子运动是温度的本质,分子运动速度又与温度成正比, 因为分子的运动速度能够达到创造宇宙最高温度1.4亿亿亿亿度的超快速度,所以宇宙的最高温度数值能够达到这么大;
反观最低温度,因为物质的运动速度是没有负值的,因此分子的运动速度会存在一个下限值,这个下限值便是 0 。
当分子运动速度下降为0时,物质达到绝对静止的状态,温度也就达到最低值,即绝对零度-273.15℃。所以,宇宙最高温度和最低温度差距极为悬殊,也就是这个原因了。
速度没有负值,分子速度下限为0
目前,人们在宇宙中发现的温度最低的地方位于 布莫让星云 ,这里的温度估计为 -272℃ ,这意味着此处的物质已经非常接近于静止不动的状态。 结语
随着科技的进步,人类对于宇宙也有了更加深入的了解,科学家们不再满足于理论的研究,而是试图通过开展一系列实验,人工制造、模拟出各种宇宙中物质的运动形式。
如今,这一科研项目有所突破,科学家已经能够模拟出约 10万亿摄氏度的高温 ,不过这一温度和普朗克温度相比还是相距甚远的。
粒子加速器能创造10万亿摄氏度高温
至于绝对零度, 因为物质永远不可能真正停止运动,所以人们永远也无法真的模拟出宇宙的最低温度 。但我们也不必灰心,因为目前人类对宇宙知之甚少,一切演算与推论还没有得到足够的证据支撑,也许一切看似不可能存在的事物都有机会变成可能。
在未来,人类更进一步接触宇宙时,便能得到更多的实践机会来证明自己的理论,在此基础上总结经验,得出正确的结论。
亟待人类探索的宇宙
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