數(shù)學(xué)世界中存在無限大和無限小的概念,然而客觀世界中的絕大多數(shù)物理指標(biāo)都存在極限。以溫度為例,溫度就存在上限和下限。 溫度的上限是普朗克溫度,數(shù)值約為1.4×10^32 攝氏度,這一溫度只存在于宇宙誕生的第一瞬間。在日常生活中,幾千攝氏度就已經(jīng)算非常高的溫度了,普朗克溫度絕對是宇宙中曾經(jīng)存在過的最高溫度了。需要注意,這一溫度是理論推導(dǎo)出來的。 至于溫度的下限,則是絕對零度,數(shù)值為零下273.15攝氏度。這是宇宙中理論上最低的溫度了。地球平均氣溫15攝氏度,而最冷的地方在南極,那里有記載以來曾經(jīng)達(dá)到過零下90攝氏度,絕對零度也僅比這個低了約180攝氏度。 不過如此低的溫度在宇宙中卻很稀松平常,因為宇宙的平均溫度為零下270.42攝氏度,僅比絕對零度高了2.73攝氏度。 可不要小看這一兩百度的差異,當(dāng)溫度接近或者達(dá)到絕對零度時,會發(fā)生很多平時看都看不到的奇異現(xiàn)象。比如某些物質(zhì)的溫度接近這個溫度時,會呈現(xiàn)出超流動性、超導(dǎo)性等特性。 零下273.15攝氏度,這不是直接測量出來的,而是推導(dǎo)出來的??茖W(xué)家們最早是通過熱力學(xué)中的蓋-呂薩克定律推出的。對于理想氣體,當(dāng)氣壓恒定,降低溫度,其體積便會隨著溫度的變化線性縮小。只需測得一定溫度范圍內(nèi)體積隨溫度變化的規(guī)律,并延伸至體積為零時的情況,就能推導(dǎo)出宇宙中最低溫度的理論數(shù)值。 從宏觀上來說,溫度是表示物體冷熱程度的物理量。而從微觀角度來說,物體的冷熱程度表現(xiàn)為組成物體的各種大量粒子(比如分子、原子等)的熱運動的激烈程度。系統(tǒng)中的粒子運動越激烈,溫度也就越高。溫度具有統(tǒng)計意義,是大量粒子熱運動過程中平均動能的體現(xiàn),因此對于個別粒子,溫度是沒有意義的。 所謂熱運動,就是構(gòu)成物體的粒子在永不停息地做無規(guī)則運動。宇宙中的一切物體都在運動,運動是絕對的,而靜止卻是相對的。由于粒子的熱運動不可能完全停止,所以在客觀世界中零下273.15攝氏度是永遠(yuǎn)也不可能達(dá)到的。這一結(jié)論在熱力學(xué)中被稱作熱力學(xué)第三定律。 在某些比較高端的實驗室中,科學(xué)家能夠利用激光、磁場等輔助手段,實現(xiàn)納開(0.000000001開)量級的溫度,也就是零下273.149999999攝氏度。 假設(shè)溫度達(dá)到了零下273.15攝氏度,會發(fā)生什么呢? 根據(jù)熱力學(xué)的觀點,如果溫度真達(dá)到絕對零度,那構(gòu)成物體的粒子必然處于絕對靜止?fàn)顟B(tài),粒子動能將為0。曾經(jīng)科學(xué)家們也普遍這樣認(rèn)為,直到量子力學(xué)的出現(xiàn)。 根據(jù)量子力學(xué)的觀點,當(dāng)物體處于絕對零度狀態(tài)時,其內(nèi)部的粒子動能并非為0,而是處于量子體系中的最低能量狀態(tài),這些粒子仍將保持整個體系中最低能量級別的運動狀態(tài),并非處于絕對靜止?fàn)顟B(tài)。不過從宏觀角度來看,物體應(yīng)該已經(jīng)很接近絕對靜止?fàn)顟B(tài)了。 通常任何溫度高于絕對零度的物體都會不斷地向外輻射電磁波。若是物體的溫度達(dá)到了絕對零度,由于整個體系中的粒子處于最低能量狀態(tài),那這些粒子將不會輻射電磁波或者光子,通俗點來說就是連光子也被凍結(jié)了。 如果整個宇宙的溫度達(dá)到了絕對零度,那么世界將變得一片漆黑?,F(xiàn)在整個宇宙的平均溫度只差2開多,就接近絕對零度了。如果你到達(dá)外太空,并且遠(yuǎn)離太陽,你會發(fā)現(xiàn)整個宇宙都是漆黑一片,只剩星光。隨著宇宙的加速膨脹,未來宇宙的溫度只會離絕對零度越來越近,整個宇宙空間也將會變得更加黑暗。 真到了這一步,一切都會陷于冷寂,整個時空中的萬物只會存在極其微弱的運動變化,那時時間和空間也就沒有了存在的意義,萬物將會歸于虛無。 說個題外話。有些人可能會問,為什么這個最低溫度是零下273.15攝氏度,而不是0攝氏度? 其實這與溫標(biāo)的設(shè)定有關(guān)。攝氏溫標(biāo)是以標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下冰水混合物的溫度為基點,并不是以最低溫度為溫標(biāo)。如果采用熱力學(xué)溫標(biāo),溫度的數(shù)值就不可能為負(fù)。因為熱力學(xué)溫標(biāo)是以理論上的最低溫度“絕對零度”為基點的。在熱力學(xué)溫標(biāo)中,標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下冰水混合物的溫度就為273.15開。 |
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