深度長文:溫度的本質到底是什麽?溫度有下限和上限嗎?

宇宙時空 2024-05-13 15:33:06

我們每天都會關注天氣溫度的變化, 根據溫度的變化選擇增減衣服。你有沒有想過,溫度到底是什麽?

物理學上來講,溫度是衡量物體冷熱程度的物理量,地球上的生物對溫度的變化都是很敏感的,當周圍的環境溫度低于某個臨界值,生物就會出現代謝紊亂,脫水變性,蛋白質合成受阻等問題。

溫度也不能過高,過高的溫度會破壞酶的活性。大多數人在夏天都會感到沒有食欲,就是因爲天熱的時候,胃蛋白酶的活性比較低,消化變慢。同時高溫還會造成神經系統麻痹和缺氧等症狀。

不過所謂的“溫度是物體的冷熱程度”這種定義其實是非常模糊的,很抽象,因爲冷熱本來就是相對的,用冷熱程度描述溫度的本質顯然缺乏說服力。

舉個例子,你把手放進0度的水冰裏,然後再放進20度的水裏,會感覺20度的水很熱。但是如果你先把手放到40度的水裏,然後再放進20度的水裏,就會覺得20度的水冰涼。

那麽,20度的水到底是冷還是熱?很明顯,僅靠冷熱去描述溫度是遠遠不夠的。

在這種背景下,科學家們終于制定出了描述溫度的具體標准,在一個標准大氣壓下,冰水的混合物的溫度定義爲0攝氏度,水的沸點溫度定義爲100度。

之後,科學家們發現溫度並不是一直往下降,而是有一個極限最低值,絕對零度。那麽,爲什麽溫度會有極限最低值呢?

剛才說了,溫度是物體的冷熱程度,這種定義只是宏觀上的表達,微觀上來講,溫度是由分子熱運動産生的。分子熱運動越劇烈,溫度就會越高。當然,物體的溫度是大量分子平均動能的表現,而不是單個分子。

所以,如果分子停止了運動,那麽溫度就達到絕對零度了。

理論上講,確實沒錯,分子的熱運動停止了,意味著分子的勢能和動能都爲零,當然內能也就是零,分子處于絕對靜止的狀態。

但是,上面的假設是不現實的,因爲任何粒子都會會永不停歇地做無規則運動,粒子不可能達到絕對靜止的狀態,所以絕對零度是不可能達到的,它只是一個理想狀態下的極限溫度。

從量子力學來講,也是如此。在量子世界,微觀粒子都具有不確定性,粒子的位置和速度不能同時確定,兩者不確定性的乘積必須不小于一個常數。如果粒子的速度爲零,意味著速度就是確定的,違反了量子力學的不確定性。

雖然知道絕對零度不能達到,但科學家們還是想通過實驗來證明一下,于是科學家通過激光冷卻等方法創造出了非常接近絕對零度的溫度,僅僅比絕對零度零下273.15度高了38萬億分子一度!

不要以爲差距如此小,但這種微小的差距也是難以逾越的鴻溝,不是通過努力就能超越的。

很多人都知道溫度的下限絕對零度,那麽溫度有上限嗎?很多人並不知道。

在我們日常生活中,幾千度已經算是很高的溫度了,但是幾千度在宇宙裏簡直太小兒科了,隨隨便便一個恒星的溫度就碾壓這個溫度了。

比如說,太陽表面的溫度就達到6000度,在地球上,沒有任何物體能承受如此高的溫度。而太陽核心溫度更是達到了驚人的1500萬度。

不過,人類利用智慧能創造出比很多大自然溫度都要高的溫度,比如說原子彈爆炸瞬間的中心溫度可以達到5000萬度,而氫彈的溫度超過一億度。還有更高的溫度,讓人想象不到的溫度,科學家通過大型粒子對撞機讓兩個粒子以接近光速的速度碰撞,碰撞瞬間可以創造出5萬萬千億度的高溫!

這個數字對于很多人來說是沒有意義的,因爲我們根本無法理解那個溫度意味著什麽。不過即便是那個溫度,在宇宙最高溫面前也不值一提。

宇宙中的最高溫出現在138億年前,宇宙大爆炸瞬間産生了1.4億億億億度的高溫,這就是普朗克溫度,是宇宙大爆炸發生一個普朗克時間之後的溫度。

普朗克溫度僅僅出現過一次,之後的溫度再也沒有出現過如此高溫。理論上講,宇宙大爆炸開始不到一個普朗克時間的溫度可能會高過這個溫度,但是普朗克時間是對我們意義的最小時間單位,小于普朗克時間的單位是沒有意義的。

普朗克溫度的意義不僅僅在于高得無法想象,還有更深的意義:如果你能創造出普朗克溫度,就相當于創造出一個全新的宇宙。

總之,溫度不但有下限,也有上限,之所以會這樣,本質上來講我們的宇宙是一個有限的宇宙,不允許任何無限的東西出現。不僅僅是溫度,物體的其他物理量也都是有限的,比如說速度,密度等都不是無限的!

0 阅读:173
评论列表
  • 2024-05-14 12:29

    10除以3有沒有限?

  • 2024-05-17 00:46

    已知有下限沒上限

宇宙時空

簡介:熱衷于宇宙時空的探索