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宇宙的温度下限是绝对零度,那么宇宙是否存在温度上限吗?

温度应该是人类最关注的自然气象之一,很多人习惯于前一天晚上看天气预报,可以了解第二天的温度以及降雨情况,这样就可以适当的进行加减衣物。还比如最近两年疫情闹的我们,对于自己的体温都十分关注,就怕高过37摄氏度。

不知道大家是否思考过这样一个问题,对于整个宇宙来说,例如太阳像一个炽热的大火球,它的表面温度可以达到5500摄氏度,而像太阳系的边疆冥王星,其表面温度可以低至零下200摄氏度,不仅仅是水结冰了,就是氮气都结冰像雪花一样落下来。那么宇宙中温度有上下限吗?

       温度是什么?

从宏观的角度来讲温度就是物体表面的冷热程度,例如热水袋就给人很温暖的感觉,而冰雪摸起来就是非常寒冷的,当然这个里边也涉及到一个热量的传递,正常来讲有温差的两个物体相互接触就会有热量的传递过程。因此温度高低也并非可以直接感受出来,这要取决于温度差。

如果从微观角度来讲,微观粒子热运动的激烈程度,外在表现就是一个物体的温度,粒子运动的越剧烈温度就越高,反之温度就会越低。当然这只是理想状态下的温度微观体现,一般主要是取决于微观粒子的平均动能,是一种统计学上的意义。

因此说宏观上的温度和微观粒子运动剧烈程度,或者说运动速度有了联系,从这个角度就可以研究宇宙中的温度高低极限值。

       宇宙最低温度:绝对零度

宇宙中是存在最低温度的,那就是绝对零度,从热力学角度来讲,其温标的单位是开尔文,用英文字母k来表示,它和摄氏度的换算标准是0k=-273.15摄氏度,而0开尔文就是绝对零度,也就是零下273.15摄氏度。

我们以最简单的方式来来理解宇宙中的最低温度也就是绝对零度,前文已经提到了物体的宏观温度和其微观粒子状态有关,理想状态下如果微观粒子全部停止不动,那么就是温度最低的时刻。

但是微观粒子可以完全静止不动吗?从量子力学的角度分析,这是完全不可能的状态,因为量子力学里有不确定性原理,它阐述的中心思想是微观量子的性质是不确定的,处在一种叠加的状态,只有在观察的瞬间可以塌缩成一种状态。那也就意味着微观粒子的速度不能为零,这样就不符合“不确定性原理”了。

微观粒子动能有一个能满足量子力学的最低值,当达到这个最低值的时候就是物体的温度下限,也就是绝对零度,宇宙中理论的温度下限。

目前已知宇宙中最低的温度比宇宙微波背景辐射还要低,它是科学家在1995年发现的,这个星云距离地球大约是5000光年,被命名为飞镖星云,其温度最低为-272摄氏度,仅仅比绝对零度高一摄氏度左右。

         宇宙温度上限:普朗克温度

这是一个以德国物理学家马斯克・普朗克命名的温度单位,也就是普朗克温度,它代表着宇宙中温度的上限。现代科学体系认为任何高于普朗克温度的存在都是没有实际意义的。

按照目前的主流科学观点,宇宙诞生于138.2亿年前的奇点大爆炸,那是宇宙的真正起源,而宇宙开始膨胀的那一瞬间是能量最高温度最高的时刻。

换一句话说就是距离“爆炸”那个节点时间越近,温度就越高。在目前的科学体系里时间的最小单位就是普朗克时间也就是(5.39^10-44s),而在这个时间节点的温度就是宇宙中最高的温度也就是1.4亿亿亿亿开尔文。

如果说比这个时间更早的是最高温度,但那些都没有实际意义了,因为时间的最小刻度就是普朗克时间,对应的最高温度就是普朗克温度。

其实从另外一个角度也完全可以解释清楚,和绝对零度一样,微观粒子因为量子力学不可以变成静止状态也就是速度为零,那么因为狭义相对论限制,有静止质量的物体速度永远达不到光速,这也就意味着宇宙中温度是有上限的。

       说在最后

宇宙中的温度既有上限也有下限,最低温度是绝对零度,换算成摄氏度就是零下273.15摄氏度,最高温度就是普朗克温度,宇宙大爆炸那个瞬间的最高温度为1.4亿亿亿亿开尔文。

文/科学黑洞,图片来源网络侵删。