为什么温度能够达到1.4亿亿亿亿度,最低仅-273.15度呢?

星空承载梦想 2024-06-03 09:01:18
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现代科学认为我们的地球诞生于46亿年前,在大约50亿年前,太阳系一片混乱,太阳诞生以后吸收了大量的物质,所以太阳的质量占到了太阳系总质量的百分之99.86,剩下的八大行星和其它物质占到了太阳系总质量的百分之0.14,从占比上我们就能够看出太阳的质量非常大,在太阳系的八大行星当中,地球是唯一一颗诞生了生命的星球,生命的出现给地球增添了很多色彩,尤其是人类出现以后,解开了地球上很多的奥秘,科学家认为,地球之所以能够诞生生命,主要和地球的环境有一定的关系,地球拥有丰富的水资源,充足的空气,适宜的温度等等,这些条件组合在一起使得地球能够诞生生命。科学家认为,如果说宇宙中其它的星球也能够满足这些基本条件,那么其它行星诞生生命的可能性也会非常大。

除了地球环境之外,太阳对于地球生命来说也是非常重要的,太阳从诞生以后就开始源源不得释放光和热,到现在已经燃烧了50亿年之久,地球能够有温度就是因为它吸收了太阳光的热量,对于地球生命来说,周边的温度非常重要,拿人类来举例,生物学家研究出来的最适宜人类生存的温度大约是30摄氏度,超过这个温度就开始启动身体内的温度调节机制,超过38度就算是发烧,需要进行药物治疗,达到42度可能会导致人类死亡,不同环境中的温度高低也是不同的,从微观角度来说,温度就是物质分子的运动差异产生的不同结果,运动越激励,温度也就越高,两者之间成正比关系。所以有温度就需要物体运动,或者说是物体存在。

从理论上来说,在宇宙刚刚诞生的时候温度是最高的,科学家利用实验室研究的重离子对撞机产生的温度能够达到太阳核心温度的25万倍,高达4万亿摄氏度,不过即使是这样,也没有宇宙大爆炸所产生的温度高,科学家认为,宇宙大爆炸的一瞬间是绝对最高温度,这个温度达到了惊人的1.4亿亿亿亿度,这个温度出现的时间非常段,这个温度也被称为是普朗克温度,普朗克温度是宇宙大爆炸发生的一个普朗克时间,这个时间是最小单位的时间,任何小于普朗克时间的单位都没有意义,普朗克温度与光速、普朗克常数、普朗克质量、万有引力常数有关系。在这个温度下,起初宇宙中的一些物质、原子和基本粒子都不存在,并且已知的四种基本力还统一在一起。

之后随着宇宙空间的膨胀温度开始下降,宇宙中再也没有出现过如此高的温度,科学家经过研究得出,当温度降低到10^28 K时,出现了第一批基本粒子:夸克和胶子。当温度降低到10^15 K时,夸克和胶子结合成了质子和中子等强子。当温度降低到10^13 K时,出现了第一批反物质粒子:反质子和反中子等反强子。当温度降低到10^12 K时,强子和反强子之间发生了湮灭反应,并释放出了大量光子和轻子(如电子、正电子、中微子等)。当温度降低到10^9 K时,在轻元素核合成期间形成了氢、氦、锂等原子核。现在宇宙中的温度已经越来越低,未来随着宇宙不断的膨胀,宇宙中的温度还会继续下降,不过科学家经过研究发现,宇宙中最低的温度只能够达到-273.15摄氏度。

这个温度目前也只存在理论当中,根据科学家的观测,宇宙中最寒冷的地方是回旋镖星云,这是一个年轻的行星状星云,位于半人马座,距离地球大约5000光年,回旋镖星云是由一颗红巨星在其生命末期抛出气体形成的,回旋镖星云中心的红巨星正在以惊人的速度失去质量,每年大约相当于太阳质量的千分之一,这些气体以每秒164公里的速度被抛出,并且带走了大量的热能,结果就是形成了一个非常寒冷的空间区域,其温度只有-272摄氏度(℃),比绝对零度(所有温度的最低极限)只高出一摄氏度。这比地球上最冷的地方要冷三倍多,也比宇宙微波背景辐射(大爆炸遗留下来的辐射)要冷一点点。

除了回旋镖星云之外,还有一些天然或者人造产生冷源可以达到极低温度,比如说在超流态实验中,科学家能够将液态氦降低到接近绝对零度,并使其具有无粘性和无阻力等奇特性,在LHC等粒子加速器中,科学家利用液态氦来制造超导电磁铁,并将其降低至-271摄氏度,这比外层空间还要冷,不过即使是这样,也不可能出现绝对零度,这究竟是为什么呢?这主要是由热力学定律所决定的,根据热力学第二定律得出,任何物体都可以放出热量,而不能达到完全的零热量,这意味着即使你把一个物体放在一个非常寒冷的环境中,它依然会散发出一定数量的热量,从而防止其达到绝对零度,而且热力学第三定律也说明了绝对零度不可能实现。

热力学第三定律预测了处于绝对零度时系统的性质和熵的变化规律,熵增定律最早起源于热力学,用于描述热量从高温物体转移到低温物体的不可逆转的过程,而随着统计物理、信息论等一系列理论发展,人类逐渐认识到熵的本质,即孤立系统中的无序程度,熵越高无序程度就会越高。在1865年,德国物理学家克劳修斯首次提出了熵的概念,用来表示任何一种能量在空间中分布的均匀程度,能量分布的越均匀,熵就会越大,可以简单理解为,熵是表示物质系统状态的一种度量:熵越大,系统就越无序,熵越小,系统就越有序,通俗来说就是:在任何一个封闭的系统里,任何事物,必然会从有序走向无序,直到死亡,任何事物都无法逃离这个命运,熵增定了个揭示了宇宙演化的终极规律,这个规律包括我们所有生命和非生命的演化规律。

热力学第三定律是指当一个系统的温度趋于绝对零度时,其熵趋于定值或保持不变。

该定律可以用一个方程式表示limt=0

D,其中T表示温度,

表示系统中熵的变化量,“limt=0” 表示趋向于0,即通过从周围环境获取能量使温度降低到一个无穷小的值,但根据热力学第一定律,这一过程中将有一部分能量转化为系统的内能,从而使系统的熵无法保持恒定。简单来说,宇宙中目前是不可能出现绝对零度的,根据爱因斯坦的相对论我们能够知道,任何物体都在做相对运动,相对运动简称为运动一个物体相对于另一个物体的位置只是发生了变化,宇宙中没有不动的物体,一切物体都在不停的运动,运动是绝对的,静止是相对的,所以从严格意义上来说,宇宙中不存在绝对静止的物质,这就意味着宇宙中不可能存在绝对零度。

而且从量子力学的角度来说,我们还可以更加严谨的分析为什么微观粒子不可能绝对静止,因为微观世界存在不确定性,具体来说就是微观粒子的位置和速度是不确定的,两者不确定性的乘积必须不小于一个常数,不确定原理告诉我们,微观粒子的速度不可能是零,否则就违反了不确定性原理,因为微观粒子永远都在运动,宏观物体的温度当然不可能达到绝对零度,绝对零度的出现就意味着宇宙万物都处于绝对静止的状态。没有任何能量交换,时间和空间都处于绝对停滞的状态,实际上就是变得毫无意义了,目前人类能够制造出来的最低温度非常接近绝对零度,仅仅比绝对零度高了十亿分之一度。但是即便是这么小的微差,也无法达到绝对零度。

科学家认为,当物体的温度逐渐靠近绝对零度的时候,就会呈现出一种新的物质形态,科学家将其称为是玻色-爱因斯坦凝聚态,也是物质的第五种形态,玻色-爱因斯坦凝聚非常奇特,这种状态是玻色子原子冷却到略高于绝对零度时形成的。这会导致它们下沉到能量最低的量子态,移动非常缓慢,并且靠近到可以重叠,从而产生一个高密度的原子云。这时的物质状态不再表现为单个原子和粒子,而是一个处于量子态的实体,表现出统一的状态。不过,物理的实验要追赶上理论,有时需要一点时间。在玻色-爱因斯坦凝聚的理论预测诞生70多年后,这种状态真正地在实验室中被制造出来。

目前谁都不知道如果绝对零度出现以后会发生什么情况,按照科学家的推测,当宇宙死亡以后,就会出现绝对零度,关于宇宙的结局在科学界也有很多种说法,第一种假说是大坍缩,这一假说最初是由乔治.弗雷德里克.霍布斯和乔治.艾略特.加莫斯在1927年提出,后来得到了爱因斯坦、霍金等科学家的进一步发展和探讨,大坍缩假说认为:随着宇宙中物质的不断减少,引力会占据主导地位,导致宇宙的膨胀速度慢慢减缓,当宇宙中的物质减少到一定程度时,宇宙的引力会变得异常强大,开始逐渐收缩,在这个过程中,宇宙中的物质会被压缩到极端的密度,形成黑洞和中子星等致密天体。一旦宇宙开始坍缩,它最终会收缩到一个极为紧凑的状态。

最终变成宇宙大爆炸之前的奇点,当奇点受到某种外力的扰动时,新的宇宙就会再次发生爆炸,并且开始膨胀,这意味着宇宙也可能是有轮回的,第二种说法是大撕裂假说,这一理论最初是由物理学家在21世纪的时候提出来的,其核心思想是,如果宇宙膨胀的速度不断增加,而且这种加速度最终达到极端的程度,宇宙将经历一次剧烈的变化,最终导致所有的物质结构瓦解,按照大撕裂的理论预测来看,随着时间的推移,宇宙的膨胀将会变得越来越快,最终会超过重力的束缚,这意味着最初将星系团撕裂成单独的星系,然后星系内部的结构也将会被破坏,连恒星、行星、分子、原子都无法抵抗这种膨胀的能量,最终被撕裂。到时候宇宙就会变成一个空旷无边的黑暗空间。

第三种结局就是大冰冻假说,当宇宙中所有的物体都死亡以后,宇宙中的任何物质都不会运动,这时候宇宙中所有的物质就达到了绝对静止的状态,这时候的温度也就达到了绝对零度-273.15摄氏度,整个宇宙就像是被冰封起来一样,没有一点点活力,也只有在这样的情况下,才能够出现绝对零度,不过这些目前也只是科学家的猜测,宇宙最终的结局到底是什么?现在科学家还在积极的研究当中,而且宇宙的寿命远比我们想象的要更加长久,根据科学家的研究得出,目前我们的宇宙还处于青少年时期,这就意味着宇宙的寿命还有很长。相比于人类的寿命来说,宇宙的寿命太漫长了。

或许我们根本无法等到宇宙寿命终结的一天,有可能再过几千年或者是几万年,人类文明也将不复存在,毕竟在宇宙中存在很多我们意想不到的危险,现在人类对宇宙的了解只是冰山一角,不过小编认为,人类作为地球上最有智慧的生命,人类的科技在不断的进步和发展,现在人类还无法解开宇宙中所有的奥秘,不过只要人类能够坚持不懈的努力下去,未来随着人类科技的进步,说不定人类能够解开宇宙的奥秘,希望这一天能够早日到来,对此,大家有什么想说的吗?

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星空承载梦想

简介:本人爱好天文,擅长写科学领域的文章