宇宙最高温可达1.4亿亿亿亿度,为何最低温度仅为-273.15℃?

如题所述

第1个回答  2022-08-24


近几十年,人类对于宇宙的 探索 活动愈加频繁, 常常孤独仰望星空的“人类”极度渴望在其他星球上找到和自己类似的生命体 ,当然除了在寻找其他文明,我们也在积极地扩张“人类文明版图”,所以 寻找宜居的“待选移民星球”也是我们 探索 宇宙时需要完成的重要任务

我们在判定其他星球是否宜居时,常常按照以下三个标准,第一,是否含有 液态水 。第二, 温度 是否适宜,或者是否有 大气 能够做到良好的温控。第三,是否存在 磁场 帮助我们 抵挡辐射 。温度的高低则是液态水是否能形成的关键,太低的话就像冥王星那样变成了“冰冻死亡之星”,太高则像 金星 那样, 雨尚未落地就已经被蒸发殆尽了


多年来科学家对于宇宙温度的数值的推断,上限趋于不断提升的态势,目前认定的宇宙最高温度为 1.4亿亿亿亿度 下限却一直固定在-273.15 ,这二者之间显著的差距不由使人感到疑惑,为什么宇宙的最低温只能是-273.15 呢?这一数值又是如何得知的?最低温度的记录在未来会被打破吗?

带着这些疑问,我们一起走进宇宙“忽冷忽热”的进化史,来看看-273.15 下的世界是什么模样的? 万事万物在这之下会不会处于“绝对静止”?


普通人感知和定义温度的方式比较简单粗暴,我们时常只 用冷和热来定义温度 ,至于用什么感知?当然是用自己的身体实测了,比如让你冬天穿着短袖出门,那你肯定是不愿意的,因为你的身体对冬天的“寒冷温度”有着清楚的认知,这种认知牢牢地刻在了你的脑海中。

其实温度本身是一种物理量,现在的物理学家认为温度的详解应该是 “物质热运动的物理量” ,这种说法告诉我们温度是依赖物质存在的,假如没有物质那么温度也就没有意义了,可见在 宇宙大爆炸产生物质之前 ,宇宙当中不仅没有时间、空间,也 没有温度 ,温度其实和它们二者类似,都是宇宙中的一个尺度。


温度的测量只能通过物体的某些变化特征来判定,这种测量方式是间接测量,而 度量温度的标尺叫做温标,温标有许多个等级 ,比如有开尔文单位、华氏温标、摄氏温标、列氏温标等等。开尔文单位最为特殊,因为它以绝对零度作为起始温度,这一温度常使用符号K表示。

我们在日常生活中经常使用到的温标则是摄氏度,这一温标 将标准大气压之下的冰水混合物作为起始温度,也就是0度 ,需要注意这里对于0度的定义已经发生了变化,完全不同于开尔文单位。华氏温度则是美国和一些欧洲国家常用的温标,它的表示符号为 。


对于温度的测量方法也有很多种,比较常见的就是接触式测温法,这种方法通常会 使用测温设备与待测对象直接接触 。像我们在发烧时使用的传统温度计就是利用了这种方法,不过这种方法常常会因为接触不良而使得测量结果出现误差,这可能就是为什么医生嘱咐将温度计放在腋下时不能乱动的原因。除了这种方法之外,还有 非接触式测温法 ,不过这种测量方法的 误差更大

对于宇宙何时诞生又是怎样诞生这一问题,一直以来都是科学界在孜孜不倦 探索 的,目前广受认可的就是“宇宙大爆炸起源论”,并且这一理论在多年以来也得到了许多的证据支持。因此在进行了多次推导和计算之后, 科学家们认为宇宙最高温度为1.4亿亿亿亿度,它的出现时间是宇宙大爆炸的那一刻,这也是理论上宇宙的最高温度。


上文中我们在介绍温度的基本概念时有提到,温度从微观上来看实际上就是 物体分子运动的剧烈程度 。因此如果宇宙的诞生真的是起源于那场大爆炸,那么在爆炸起始物质运动的频率一定是 “无限大” 的,而 温度与物质运动的频率呈正比 ,所以说 宇宙的最高温是诞生之始的温度并无差错


宇宙大爆炸之初的温度虽然达到了1.4亿亿亿亿度,但是在这之后温度就开始下降,比如 在大爆炸发生的10-32秒后,温度就降到了1亿亿亿度 。科学家指出,在宇宙爆炸的早期,由于 温度实在是太高了,电子是无法和原子核结合成为原子的 ,无数的电子在宇宙当中游荡,成为了 等离子体 。这是热气腾腾的宇宙,就像是装满混沌物体的一口大锅。

等到宇宙诞生了 38万年 以后, 温度渐渐降到了6000 ,不少人会发现这时宇宙的温度已经和太阳表面的温度十分相似了,因此 原子的形成终于可以顺利进行了 ,宇宙也从一锅“混沌的粥”变得清明起来了。


值得一提的是宇宙从极限高温降下之后,又开始了升温,因为 根据红移现象我们可以知道宇宙现在仍旧处在膨胀当中 ,而这种因为 宇宙结构的引力坍缩形成的加热 ,在日后会 不断持续下去


宇宙的最高温度是1.4亿亿亿亿度,最低温却只有-273.15 ,上限和下限的差距如此巨大,其实完全是因为 温度本身就与物质分子运动的速度有关 。像宇宙大爆炸初期,所有物质都处在快速运动当中,因此 摩擦力就强,产生的热量多 ,温度自然就高。但是 最低温,就要求物质的运动趋于静止状态 ,或者说是 物质运动速度最小 的时候,这时测得的温度为-273.15 ,这一温度一直以来也被称为 “绝对零度”


虽然我们根据物质趋近停止运动的状态推导出了最低温的数值,但是目前我们 在宇宙当中发现的最低温度实际上达不到-273.15 ,宇宙当中最冷的地方是 布莫让星云 ,也叫作回力棒星云或者领结星云,距离地球大约5000光年,它的温度是 -272

那么人们是如何发现这个绝对零度值存在的呢?实际上也经历了漫长的论证过程,在16世纪时,法国物理学家阿蒙通过发现温度和气压之间的密切联系,推导出 温度下降限度在-246 左右


到了1787年,法国物理学家查理根据气体体积、气压和温度三者的关系,总结出了一个定律,这就是后来十分出名的查理定律。

由此可知,绝对零度这一概念与物质本身是相关的, 如果温度达到了-273.15 ,那么物质的体积也消失了 ,没有物质的存在温度也不会再存在了,因此大家应该可以理解为什么最低温只能无限趋近-273.15 ,而 永远不可能达到


我们换一种通俗的方法解释,以大家家里的冰箱为例,在冰箱的内壁一般有不断在循环的制冷剂,那么如果想让冰箱变为绝对零度,就要让制冷剂的温度比绝对零度还低。 绝对零度时分子已经完全停止运动,怎么可能有方法使得分子运动速度比静止时还要慢呢? 这无疑是不可能实现的,因此绝对零度值尚且只存在概念当中。

不得不说,虽然我们的实验无法到达绝对零度,但是超低温现象却能够帮助到我们很多。在温度很低时,一些物质都会表现出不同的现象,根据这一特性, 将“超低温”广泛地运用于航天、农业、医学等领域 ,可以得到意想不到的惊喜,许多新兴成果都可以造福人类。


那么我们首先来看看超低温现象下的一些“奇观”, 当温度达到零下190 时,我们的空气会变成浅蓝色的液体 。没错,我们觉得看不到摸不着的东西在超低温下会变成 液态 的。而金属在超低温下不是冻成了固体,就是变成了粉末。还会出现所谓的 “超导现象”

超导现象指的是这一金属在这时的 电阻变成了0 ,电阻为0代表着电流可以 毫无阻碍地通过该物体产生超强磁场


如果我们可以利用超低温制作出“超导体”,那么 电力耗损将一步减少,发电效率将会大幅度提高 。所以在能源利用领域,超导输电、超导储能和超导电机都是备受热捧的对象。此外磁悬浮列车、核磁共振成像、超导反潜、电磁推进等技术,都有超低温技术的功劳。

此外科学家还发现 超低温现象下会出现“超流体现象” ,这一流体的特点是 完全缺乏粘性 ,因此将其放置在环形容器中,会出现 永不止境的循环运动 ,不过超流体形成的温度条件更为苛刻,比超导体还要低一些。 液态氢-4在冷却达到2K以下之后,可以呈现出超流体现象。


宇宙的高温和低温显然都是我们人类无法忍受的,毕竟我们的躯体非常脆弱, 暴露在极冷或者极热的环境下,可能仅需十几秒就能完全死亡。 不过还是有一些挑战过人体极限温度的人存在的。

科学家发现 人体在干燥的71 高温环境中,可以坚持一个小时 。到了 104 时还能坚持 26分钟 ,这一结果还是挺让人震惊的,毕竟在我们认知中,可能超过了60 ,就已经不省人事了。所以, 我们的身体还是确实能起到散热的效果,如果超过散热极限就会死亡。


不过对于低温的耐受性就没有这么强了,当温度过低, 我们的人体核心温度低于35 时,就会产生失温症状 。这一症状下的人会出现精神错乱,在迷乱中反而将衣服脱掉。可见有时候人体能忍受的低温,相较于高温而言还是很有限的。

通过本文我们知道了,温度的高低与物质运动的快慢有关,宇宙中的 高温和低温之所以差距如此大 ,是因为 物质运动的最慢速度只能是趋于静止,无法实现,更别说想要比静止还慢了

不过温度作为一种刻度,也只是宇宙多种尺度中的一个,尚有不确定性,很难说随着我们对“物质”微观世界了解得更多以后,再加上宇宙宏观世界的发现,会 不会 探索 到新的“极限”

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