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温度的上限和下限分别是多少?人类竟然创造出5.1亿℃的高温!

来源: 时间:2020-03-31

对于温度我们,我们最直观的感受就是冷与热。对于我们人类而言,我们所能观察到的宏观世界的任何一个物体都有一个温度。我们平时很冷的时候总爱说一句“我已经冷的感受不到温度了”就是一句谬论,因为温度是客观存在的,“冷”这种感受也是温度的体现。

既然谈到了冷热感受,就有人会问了,我们的宇宙中存在所谓的最高温与最低温吗?或者说,温度有上下极限吗?

想要理解这个问题,我们首先需要理解温度的定义:温度是表示物体冷热程度的物理量,从微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量。所以当粒子的运动越剧烈,温度就会越高,当粒子运动越慢的时候,温度就会越低。

比如平时生活中,我们之所以感觉到开始烫手,就是因为水分子的运动更加剧烈,当这些剧烈运动的水分子与手接触时,水分子的能量就会被皮肤上的分子吸收,导致接触部分的分子运动变得剧烈,温度就会升高,从而刺激神经末梢,我们的大脑皮层就感受到了“烫”。

知道了这点,我们就能解释温度的上下限了。当粒子的运动速度慢到极限的时候,温度也会下降到一个极限,当粒子完全静止的时候,就是温度的下限了,这就是我们平常说的“绝对零度”——零下273.15℃。

但是到目前为止,科学家们还从未发现过绝对零度的状态,因为粒子的热运动是永远也不会停止的。这个客观事实意味着,绝对零度是一个理论的极限值,在实际中永远也无法达到。这是由量子力学所决定的,根据量子力学的基本原理——测不准原理我们可以得出这个结论。这是由德国物理学家海森堡提出的理论,也叫做不确定性原理:我们不可能同时知道一个粒子的位置和它的速度,粒子位置的不确定性,必然大于或等于普朗克常数(h)除于4π(ΔxΔp≥h/4π)。当粒子完全停止运动的时候,粒子的速度或者动能就为零了,这就意味着粒子的位置也是确定的,这违背了测不准原理。

那么温度有上限吗?很多人认为温度没有上限,因为粒子的剧烈程度是没有上限的。其实这样理解是不对的,温度是有上限的,其上限温度为1.4亿亿亿亿℃。这就是普朗克温度,以德国物理学家普朗克命名。这个温度是宇宙大爆炸发生后的瞬间温度,宇宙大爆炸后,宇宙温度在一个普朗克时间内达到了一个普朗克温度。

根据爱因斯坦的狭义相对论,光速是这个宇宙中物质运动的上限。宏观物质是由微观粒子构成的,当这些粒子的速度无限趋近于光速时,它的动能也会趋近于无穷大,这意味着物体的温度也会趋近于无穷大。

但是这里我们要注意,当温度高到一定的程度时,四大基本力就会统一,最倔强的引力就会与其它三大基本作用力统一,这就是宇宙大爆炸发生瞬间时的情况。引力,电磁力,强相互作用力和弱相互作用力在这种情况下会变得不分彼此,这时候,物质存在的基础就没有了,温度这个物理量也就没有意义了,所以不会有再高的温度了。因此,普朗克温度被定义为温度的上限。

既然温度的上限如此高,达到了1.4亿亿亿亿℃,那人类能够制造出的最高温度又是多少呢?很多人可能会想到我国最新的人造太阳,因为它达到了2亿摄氏度。但是不是的,人类目前达到的最高温是5.1摄氏度,这个温度比太阳的最中心还要热30倍。这个温度是1994年5月27号的时候,由美国新泽西州普林斯顿大学的等离子物理实验室制造出来的,在这里,科学家们通过使用托卡马克核聚变反应堆,利用氘和氚的等离子混合体制造出了这个人类最高温。

5.1亿摄氏度,这个温度确实很高,但是与普朗克温度相比确是不值一提。这里有一点需要特别提一下,普朗克温度与绝对零度不同,绝对零度是一个永远也无法达到的温度,只要粒子的运动无法停止,就不能达到绝对零度,而海森堡的测不准原理又不允许粒子停止运动,所以绝对零度只能接近,无法真正达到。而普朗克温度不一样,这是宇宙中确确实实达到过的温度。

那目前人类已经测得的最低温度是多少呢?科学家们发现布莫让星云的温度只有-272摄氏度,只比绝对零度高1.15℃,布莫让星云也因此被称为“宇宙冰盒子”。 为了制造出更低的温度,人类制造出了液氦,但这还不够,科学家们又通过利用液氦蒸发的方法制造了更低的温度,但是最终也只能达到-273℃左右,始终无法达到真正的绝对零度。我们制造的最低温与绝对零度只有0.1℃左右的差距,但就这小小的0.1却成了人类无法跨越的鸿沟。

也许未来世界,随着科学的发展,温度的极限还会发生变化,但是现有的科学框架下,绝对零度和普朗克温度就是温度的上下极限了。另外,这么高的温度是用什么材料测得的这种话题就不要问了,分享关注,接下来说!


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