网友提问:
既然有人说宇宙有最低温度下限,那有没有最高温度上限?
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如果要知道宇宙中的最高温度与最低温度,就需要理解什么是温度?它与什么因素有关?
温度是用来表示物体冷热程度的物理量,它是组成物质的微观粒子做无规则热运动剧烈程度的宏观表现。
也就是说,物体的温度是由组成物体的粒子做无规则热运动的速率决定的,粒子做无规则热运动的速率越低,它的温度就越低;微观粒子做无规则热运动的速率越高,它的温度也就越高。
那么,让构成物质的粒子的热运动速率无限减小直至运动速率为0,这个时候它的温度不就是最低温度了吗?
根据理想气体的状态方程,进行外推,可以得到,当温度降低到-273.15℃时,理想分子的平均动能为零,这时粒子是静止的,这时物体的温度也就是理论上能达到的最低温度。
但这只是理想情况由上图,在压强一定时,体积跟温度成正比,那么温度降到0K(-273.15℃)时,难道气体体积为零?意思是物质消失不见了?所以说,这只是一种推导,实际情况是不可能达到绝对零度的,只能使温度尽可能接近绝对零度。
粒子做无规则热运动有最低速率,那么,最高速率总不会有上限了吧?还真有最高上限,这个上限就是光速c!
在量子力学中,有一个最高温度,就是“普朗克温度”,大概是1.41683385×10^32 K,就是让粒子的速度变成光速推导的。
但是,组成物质的粒子如果被加速到光速,运动速率就是宇宙最大速度,这时能量趋于无限大,这个物质的温度也应该最高,但是如果粒子速度达到光速,它质量就趋于无穷大,这个粒子不就变成了黑洞了吗?
所以说,普朗克温度只可能出现在宇宙大爆炸第一个瞬间,因为这个瞬间宇宙最为致密,大爆炸以后宇宙在膨胀,就再也不会出现普朗克温度了。
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我们知道宇宙最低温度下限就是绝对零度,为0开尔文,也就是-273.15℃。宇宙最高温度除了黑洞的奇点有无限高温之外,就是普朗克温度,为1.4×1032℃,也就是1.4亿亿亿亿℃。
宇宙温度下限——绝对零度
我们在上学时就已学过,温度是物体冷热的程度,是物体内部分子运动的剧烈程度,分子运动越剧烈温度会越高,反之越低。如果物体内的分子乃至最基本粒子都停止了运动,物体内部的动能将降到最低,它的温度会随之降至最低,在热力学上将这个最低温度称为“绝对零度”,这是宇宙中最低温度,为0开尔文,等于-273.15℃。
绝对零度由英国科学家汤姆逊.开尔文在1848建立。原来科学家认为当一个物体温度降至绝对零度时不能再低了,而宇宙中的物体不能降至这个温度下限,只会无限逼近。然而现在科学家在实验室中已做到了距离绝对零度仅1/50亿的温度,这是目前宇宙中的最低温度了,却是由人类首次实现。
以前宇宙中的最低温是布莫让星云的温度,为1开尔文。也就是-272.15℃。
宇宙温度上限——普朗克温度
我们总以为太阳表面温度高达6000℃已经是很高的温度了,其实在宇宙诞生的约138亿年前的温度才是最高温度,高达1.4亿亿亿亿℃(T=1.416833×1032K),这个温度只维持了10???方秒。也就是普朗克时间内的温度,于是将这个温度称作“普朗克温度”,又称“普朗克热点”,国际符号为TP。
宇宙大爆炸后的10?32方秒,便降到了10000亿亿亿℃。当然宇宙随着超速膨胀,会越来越冷。
当然,宇宙在大爆炸之前温度达到了无限,现在黑洞内的奇点也是如此。而那些不是现在的物理及科学能解释得清楚的,它远远超出人类的认知范围了。
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论上是不存在“最高温度”这个概念的.因为粒子的能量即表征着温度,而粒子的能量是没有限制的.已经发现过的单个宇宙射线粒子能量高达10^21电子伏,对应波尔兹曼温度高达10^26开尔文.
如果你说的温度特指大量粒子的热运动温度,那么目前可以计算出的是超新星爆发前夕的恒星核心温度.它高达60亿开尔文.
我们平常用的摄氏度和热力学温标存在转换关系,但后者是更接近物理学本质的一个测量方式,前者只是出于我们的生活习惯,定一个在人类生活中更好用的标度而已。
热力学温标下的“绝对零度”,“绝对”二字不是白写的,在这个温度下,系统不存在热量。要达到绝对零度,需要有一个孤立系统,并且这个孤立系统一开始的温度就是0,实际中我们做不到。假如是非孤立系统,只能给它降温,但是只要是有能量交换,就不可能把它的温度降到