日常生活中,溫度有高有低,在我們看來這很正常。但是這并不意味著溫度可以無限高或者無限低。
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很多人都知道,宇宙中存在極限低溫,絕對零度,零下273.15度,它也是理論上的最低溫,現實中無法達到這個溫度。為什么會這樣?
首先,我們需要明白溫度到底是什么。物理學上,溫度是這樣定義:衡量物體冷熱程度的物理量,不過這樣的定義顯然有些抽象,并沒有表達出溫度的本質。
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我們可以從微觀上理解溫度:微觀粒子運動的劇烈程度,就可以表現出溫度。微觀粒子運動速度越快,越劇烈,宏觀物體的溫度就越高。
地球上的最高溫在地核,溫度能達到6000度。而太陽系的最高溫位于太陽核心,溫度高達1500萬度。不過,太陽系的最高溫在宇宙中也是小兒科了,像中子星的溫度就可以達到上億度,無法想象的高。
不過,高溫也是有上限的,因為速度是有上限的,那就是光速。愛因斯坦相對論表明,物體的極限速度就是光速,所以高溫并不能無限高。
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結合光速,普朗克常數等因素,科學家們計算出宇宙中的最高溫是普朗克溫度,大約1.4億億億億度,這個溫度只出現過一次,就是在宇宙大爆炸瞬間。所以如果你能創造出普朗克溫度的環境,理論上就能創造出新的宇宙。
普朗克溫度是理論上的高溫極限,那么絕對零度為何是理論上的低溫極限呢?
剛才說了,溫度與微觀粒子的速度快慢息息相關,所以,單純從理論上講,如果微觀粒子處于靜止狀態時,物體的溫度就是絕對零度。
但微觀粒子能處于絕對靜止狀態嗎?
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從宏觀角度來講,理論上是可以靜止的。但量子力學的橫空出世,讓人類意識到微觀粒子是不可能絕對靜止的,因為量子力學意味著不確定性,不確定性才是量子世界的核心。
何為不確定性?
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通俗來講,我們無法確定微觀粒子的狀態,只能用概率去描述,也就是所謂的“波函數”,微觀粒子表現得像波那樣。用數學公式來表述就是,微觀粒子的位置和速度具有不確定性,兩者不確定性的乘積必須不小于一個常數,這個常數雖然很小,但比零要大。
如果微觀粒子是靜止的,也就是速度為零,意味著粒子的速度就是確定的,不確定性為零,這樣就違反了不確定性。
所以說,理論上的最低溫絕對零度永遠無法達到,只能盡可能接近。這個特點與光速的特性其實是樣的,宇宙的極限速度是光速,我們只能盡可能接近光速,而無法達到或者超過光速。
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雖然科學家早就知道了無法突破絕對零度,但還是希望通過實驗來驗證這一點,同時也希望在超低溫環境下有新的發現。
通過人類現代科技,科學家也確實創造出了無限接近絕對零度的溫度,只比絕對零度高了38萬億分之一度!
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但正所謂“差之毫厘失之千里”,這句話在這里再適合不過了。不要小看那看似微不足道的差異,其實那是人類永遠無法突破的鴻溝,絕不是通過努力等手段能彌補那種差異的!
不過,在超低溫環境下,科學家確實發現了很多有趣的現象,比如說超導現象,超流現象等,這些現象早已應用在很多領域,比如說能量,電子,交通,醫療等領域,很大程度上推動了人類科技的發展。
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