探索极限温度绝对零度与最高温度
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提起极限温度,我们首先想到绝对零度,一个充满神奇与未知极限低温。接近绝对零度,我们会看到超导电性、永不消失的电流、以及突然消失的电阻、还有没有粘滞性的液体。
提起绝对零度,宇宙冰箱布莫让星云温度是最接近负二七三点一五摄氏度的地方。与绝对零度相对的热是否无有尽头?冷似乎是有极限的尽头。
物理学家发现,气体每冷却一度,其体积就会缩小到凝结点时体积的二七三分之一,这就是著名的查理定律,它讲述的是理想气体被冷却的过程。
当气体冷却到一定温度后它总是先变为液体,然后又在更低温度变为固态。温度是衡量物质分子运动速度的,本质是分子运动的快慢。绝对零度,理论上物质的分子和原子全部停止运动,以及原子核外的电子也会停止运动。
广义上,所有运动的粒子都停止运动,这就是绝对零度,但是,这个极限温度无法在任何实验中达到。
粒子能运动,就会拓展空间。而极限零度,分子或原子之间是没有空隙的,电子不必受到原子的吸引,原子跳跃也没有距离的,这是电阻消失的原因。当温度无限接近绝对零度时,原子间的距离就无限接近趋于零,原子之间距离接近为零,电子的转移需要的能量很少,很小的电压就能导电,这便是超导体。
绝对零度似乎能恐怖的冻僵一切!有人推断,绝对零度时光波也无法传播。光是一种能量,电子获得了额外的能量会发光,热效应也能产生的光,原子跃迁会产生光,带电粒子加速运动也会产生的光。量子物理学指出:光线越强,代表着光量子越多。
绝对零度如果可以达到,粒子停止运动,失去所有能量。绝对零度时,光消失了?光子必须具备动能,才能传递,绝对零度导致光也无法正常传播。
已知,氦在接近绝对零度时会变得异常。氦原子的相互作用与原子质量都很小,既难液化也难凝固。绝对零度时,其性质会发生突变,成为超流体,可以奇怪的沿着容器壁向上流动。而且,氦的熔点极低,达到负的二七三摄氏度,也难以将它变为固态。绝对零度时,有的学说认为物质的引力场也消失了,达到一种新的相。
物质在接近绝对零度时,与传统的气、液、固等不同,称为超原子。按理说,达到绝对零度,所有元素会聚集在一起,宇宙会形成一个整体,黑洞也会消失。
科学家发现,超低温的分子会导致偶极矩的产生,反而显得稳定。非常接近绝对零度时,会出现十分奇特的现象,形成非同寻常的物质形态。接近绝对零度,量子力学认为,分子并不会乱跑,而是形成波动,有猜测摩擦力会消失。
现在可以用激光和磁场制冷,期望在实验中看到一些物质的不同状态。在月球背面,低温也可以达到负的二四九摄氏度,月球背面也显得神秘莫测。
微观粒子处于理论上最低温度时不再震动或旋转。超低温时的量子世界会是什么样的?物理学称为玻色-爱因斯坦凝聚。这种状态下,几乎全部原子都聚集到能量最低的量子态,形成一个宏观的量子状态。玻色子,其中包括光子和氦-4之类的原子,可以分享同一量子态。此时,所有的原子就象一个原子一样,具有完全相同的物理性质。
光在凝聚内的速度会骤降,可以达到极慢的数米每秒。自转的玻色-爱因斯坦凝聚类似黑洞,能够捕获光线。在凝聚消失时,光芒又会逃逸出来。束缚的磁场也达到最低能级。有观点认为:接近绝对零度,还有望找到反物质。
在半人马座,距离地球五千光年的布莫让星云,温度仅比绝对零度高一点一五个度数,是宇宙空间中已知的最冷地方。
布莫让星云是由从一颗恒星的核心逸流出的气体形成的,在进入太空之后很快速的膨胀,这种膨胀有制冷效果。与氟利昂类似,膨胀吸热,向内卷吸收热量。
在近年来的观测发现,这个星云的外缘似乎在逐渐变暖,布莫让星云也是宇宙中奇特的地方。如果低温世界物极必反会发生什么?
所有原子同时离开,是否会迅速完成重构,还是会保持缓慢的恢复;还是核外电子一下子全部飞出去了,产生出各种各样的射线?会在极短时间内产生极限高温吗?
大多数人认为,宇宙中的高温是无界限的,根据能量守恒,总能量是有限的,叠加在一起便是极限高温吗?
绝对零度也会使宇宙中的基本粒子的动能失去,却违反了量子力学中的不确定性原理,宇宙中不能存在静止不动的粒子,也就是说绝对零度无法达到。
宇宙大爆炸学说认为,宇宙有起源,炸开的那一刻便是极限高温,通过质能转化为能量,能量大约是十的一百零三次方开尔文温度。能量聚集在一个很小的空间内,就是一个黑洞。
这样看来,极限高温更加可望而不可及,同样无法达到,而我们所处的宇宙空间之外还有什么?我们还看不清楚。人类只能通过估算去推测。
这样看来,温度不但有下限,也有上限,同样高得离谱。科学家相信,宇宙中出现过这样的温度,宇宙大爆炸发生时只有十的负四十三秒,宇宙从此诞生。
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