理論上,既有最低的溫度,又有最高的溫度。物體之所以會產生溫度,本質上是因為組成物體的粒子不停地做熱運動,這種運動越劇烈溫度則越高。那么,當粒子不再做熱運動時,溫度就會達到最低,即-273.15 ℃(0 K),此時的溫度被稱作絕對零度。不過,這個理論最低溫是無法達到的,這受到了量子力學的限制。根據海森堡測不準原理,我們沒有辦法同時測出一個粒子的位置和速度,如果粒子停止熱運動則會違反這一定律。那么,絕對零度又是如何得到的呢?
絕對零度不是直接拿溫度計測量出來的,因為本身也無法達到絕對零度,這個溫度的大小最初是從理想氣體定律中推導出來的。根據蓋-呂薩克定律,對于一定量的理想氣體,如果保持氣體壓強恒定,體積V和溫度T呈正相關,即體積越小,溫度越低。由于這種關系是一種線性關系,通過測量幾組體積和溫度的關系,可以根據最小二乘法擬合出直線方程,如下圖所示:
然后再把這條直線外推到坐標軸上,就能計算出絕對零度的大小。
此外,類似于蓋-呂薩克定律,還有查理定律。根據查理定律,對于一定量的理想氣體,如果保持氣體體積恒定,壓強P和溫度T呈正相關,即壓強越小,溫度越低。同樣地,通過查理定律也能推導出絕對零度的大小。
至于為什么溫度會存在一個理論最大值,這是因為粒子的運動速度不可能無限增加,狹義相對論指出光速是粒子運動速度的上限。基于這一原理,推導出的理論最高溫度為普朗克溫度,約為1.4×10^32 K。
溫度是粒子平均動能的標度,寫成公式是:Ek =?mv?=3×?kT。1個真空漣漪的速度是光速,即v=c,如果溫度T=0,則m=0,這不可能,宇宙中不存在沒有質量的粒子。
▲熱寂時粒子停止運動v=0就是絕對零度。
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設1個電子在最高溫度速度幾乎達光速,即v≈c,電子最高溫度是:T=mc?/3k=9.1e-31×9e16/(3×1.38e-23)=2e9K,即20億度。
▲氫彈爆炸的溫度不超過1億度。
設1個質子或中子在最高溫度速度幾乎達光速,即v≈c,質子最高溫度是:T=mc?/3k=1.73e-27×9e16/(3×1.38e-23)≈4e12K,即4萬億度。這應該是不可逾越的最高溫度。
▲普朗克溫度專為宇宙大爆炸設定了最高溫度。
普朗克最高溫度TP ≈1.4e32K,即1.4億億億億度,太瘋狂,太不可思議,是專給宇宙大爆炸的。可我不信,因為不存在超光速,畢竟宇宙大爆炸只是一個猜想,不足為據。
本文標題:宇宙存在絕對零度,那么有沒有最高溫度呢?
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