人类能创造10万亿度高温,却无法突破绝对零度,原因为何?

人类能够创造出10万亿度高温,但这个高温距离最高温度还差很远很远,因此以后还可以创造出更高的温度,却永远也达不到最高温度。

而人类虽然无法突破绝对零度,是因为绝对零度是宇宙最低温度。宇宙达到了最低温度,就是死亡归零。

这不就扯平了,人类永远也制造不出最高温度,同样也制造不出最低温度。

现在科学界认为的宇宙最高温度,是宇宙大爆炸普朗克时间的温度。

所谓普朗克时间是时间的最小单位,小于这个单位的时间就没有意义了。普朗克时间为大爆炸后的10^-43秒,也就是大爆炸开始后1000亿亿亿亿亿分之一秒。

宇宙大爆炸开始这么短的刹那间,温度为10^32K,也就是1亿亿亿亿K。

“K”为热力学温标的符号,又称开尔文温标、绝对温标,是国际单位制的7个基本单位之一,简称“开”,符号表示为“K”。

世界上现在使用的主要温标有三种,就是开氏度温标、摄氏度温标、华氏度温标。早期还有过列氏温度和兰氏温度等温标,现在都淘汰了。

所有的温标都是以热力学温标作为标准来衡量。现在世界上绝大多数国家都是使用摄氏度温标,摄氏度与绝对温标的标度刻度是一致的,表示符号为“℃”。

0K就是绝对零度,对应摄氏度为-273.15度。摄氏度冰点0度为273.15K,以后摄氏度每提升一度开氏度也相应提升1度,摄氏度100度就是373.15K。

华氏度的表示符号为“℉”,现在只有5个国家在使用。华氏度与摄氏度对应关系为:F=C×1.8+32 //C=(F-32)÷1.8。

例如: 0℃=(0×1.8+32)℉=32℉,100℃=(100×1.8+32)℉=212℉。

由此我们可以看出,温标是人类认识世界,并根据人类习惯而制定的一种衡量温度的标杆,带有很强的主观色彩。

之所以有人觉得人类可以发现或者创造出很高的温度,而无法突破仅有几百度的低温,这只是一种错觉,这个错觉就是建立在人类对温度的标度方式上。

如果把世界可能存在的最高温度和最低温度中间划一个刻度的话,把这个刻度定为0度,那么就存在零上数亿亿度和零下数亿亿度。如果用这样的温标来回答这个问题,回答是高温突破还是低温突破的话,大家会怎么回答呢?

很多人可能会说,为什么人类已经突破了零下几亿亿度的低温,却连零度也突不破呢?更别说高温了。

如果用这种温标来衡量我们的世界,用在我们的生活中实用吗?

我们宇宙从大爆炸开始,迄今已经138亿多年了,宇宙中极高的温度逐步冷却下来,虽然恒星等天体还有极高的温度,但在稀疏的广袤宇宙空间,平均温度已经极低极低了。

宇宙微波背景辐射温度,也就是宇宙大爆炸的余晖,温度已经降低到了2K多一点,接近绝对零度,因此叫做3K宇宙背景辐射。

因此宇宙已经是趋向寒冷的,而地球平均气温在15度(摄氏度,后同)左右,人类日常生活接触的温度一般都在零下几十度到几百度之间,因此温标定在这样一个水平上才能够比较适合人类需要。

但这样一来,却给一些人造成了温度高低的错觉。

现在人类对低温的探求已经无限接近绝对零度了,科学家们在实验室已经制造出0.5nK(0.5纳开尔文)的低温记录,也就是20亿分之一K。

宇宙中理论最高温度为1000亿亿亿亿亿K,宇宙中现在理论上存在的高温也有千万亿K(超星系大爆炸、中子星黑洞相撞等),而人类制造出来的高温才10万亿K,距离最高温度还连一根毛都算不上。

因此可以说人类已经对低温突破取得了重大进展,而对高温突破还刚刚起步,任重道远。

就是这样,欢迎讨论。

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宇宙中没有绝对高温,因为高温上面还有高温,人类还没有探索到最高温度是一种怎样的体验。但是,人类已经看见了最低温度,这就是没有物质运动的沉寂的黑深太空空间。

因为人类已经知道,温度是物质运动带来的结果,没有物质运动的深深的空间里是没有温度这个名词的。

热胀冷缩,都是指物质在温度下的表现。

那么物质究竟能够在多么高的温度下,热胀到无限的空间中去,而产生空虚的空间呢?

事物发展到一定程度上,就会像相反方向发展。

一但物质热胀到巨大的空间中散落在无限的空间而稀薄时,无限的冷就降临了。

我们知道,温度与物质运动激烈有关,把一个物质燃烧到一定程度,就会出现分解,出现负离子,然后再分解,分解到无限的空间中去,每一个空间单位存在的物质离子极少,寒冷将笼罩一切。

所以温度高到一定程度的时候,就会出现极低的温度。

原来温度也有极限性,低温有,高温也有。

人类创造的最高温度

在欧洲的的瑞士日内瓦近郊,坐落着一座大型粒子加速器,江湖人称LHC。LHC的周长达到了27公里,每当投入工作时,周围居民楼的电灯泡都会暗不少。

那什么是大型粒子加速器呢?

它其实是深埋于地下的一个大型试验装置,但其中有专门的隧道。这个隧道当中铺设了专门用来给粒子加速的加速管道。一般来说,科学家会把粒子加速到接近光速,然后让粒子迎头撞上。

那为什么要这么做呢?

这其实是在验证一些微观世界的物理学理论。微观世界由于尺度实在太小,经过100多年来的研究,科学家发现利用纯粹的“对撞”来进行实验,并分析对撞之后的产物是最有效的办法。而如今关于微观世界的理论是粒子物理学标准模型。那什么是粒子物理学标准模型呢?

上世纪,科学家就用这种对撞的方式发现了许多以前从来没见过的粒子,如何把这些粒子安排明白就是一个很难的问题。后来,在一群科学家的努力之下,他们通过量子力学和相对论的结合,得到了一个理论框架,并把这些粒子都安排到了这个理论当中。

而在这套理论当中,科学家预言了一个希格斯玻色子的存在,它的作用是赋予粒子质量它是整个理论的最后一块拼图。科学家一直想要找到它,这就需要很好的实验设备。一开始科学家跑到美国去说服美国人来修建这个设备,结果美国人觉得这个成本太高,于是就给拒绝了。

后来,科学家们跑到欧洲想要说服欧洲修建这个设备。当时他们包装了一个概念,把这个希格斯玻色子叫做:上帝粒子。果然这一招很好使,真的就说服了欧洲修建,也就是LHC。

LHC在寻找希格斯玻色子的实验中,就在局部制造了能量相当于10万亿度的黑体辐射。这也是人类制造的最高的温度

宇宙的最高温度

10万亿度虽然很高的了,但它其实不是宇宙中的最高温度。这个温度大概是宇宙大爆炸后万分之一秒的时候的温度。那我们这里为什么要提到宇宙大爆炸呢?

这是因为,宇宙的最高温度就诞生于宇宙大爆炸的起点。我们知道,按照目前科学界的主流理论,宇宙起源于138亿年前的一次大爆炸

在物理学中,任何变化其实都有最小的单位。也就是说,这个世界的变化并不是连续的,而是颗粒状的,只是这个颗粒度实在太小,以至于我们认为世界的变化是连续的。在众多的变化中,时间的流逝就是其中之一。时间变化的最小单位被我们称为普朗克时间,大概是5.39*10^(-44)秒。

由于如今物理学理论的限制,我们无法知道宇宙大爆炸后5.39*10^(-44)秒(普朗克时间)内到底发什么。我们只知道,通过理论可以推导出宇宙大爆炸后5.39*10^(-44)秒时,宇宙的温度是1.41*10^32度,也就是1.41亿亿亿亿度。这是我们已知的宇宙最高温度。

后来,随着宇宙空间的膨胀,宇宙的温度逐渐下降,到了万分之一秒时,温度是10万亿度,而到了如今,温度只剩下2.73K,只比绝对零度高2.73度,是以宇宙背景辐射的形式存在的。

所以,人类制造宇宙最高温度还远的很,甚至我们可以说,人类根本不可能做到这一点。既然最高温度达不到,那有没有可能达到绝对零度呢?

人类为什么无法达到绝对零度?

热力学第三定律告诉我们,绝对零度是达不到的。那为什么会这样呢?

我们都知道,绝对零度是零下273.15度。为什么会是这么奇葩的一个数字?

这要从物质的构成说起。万物都是由粒子构成的,而粒子其实不是整整齐齐地排列的,而是不停地乱动。

科学家发现,从微观的角度来看,构成物质的粒子整体运动得越剧烈,温度就越高。整体运动得越不剧烈,温度就越低。

于是,科学家就用粒子的平均动能来定义温度。通过这个定义,我们不难想到,最低的温度,那一定就是粒子的平均动能最小的状态。所以,我们只要通过理论计算就可以得到绝对零度是零下273.15度。当然这个定义其实是基于0度是水结冰,而100度是水沸腾的条件之上。我们当然,也可以直接把绝对零度定义为0度。那为什么绝对零度是达不到呢?

其实我们试想一下,根据温度的定义,我们就可以知道,粒子的平均动能越低,温度就越低,可是绝对零度对应的已经是粒子平均动能最低的情况,也就是说粒子的平均动能没办法再降低了,因此,温度也就不能再降低了。

当然,科学家是不信邪的,即便是物理学定律,他们也会尝试去打破。在地球上有许多超低温实验都在挑战绝对零度。但即便到了现在,科学家只能无限接近绝对零度,却依然无法到达绝对零度,更不要说低于绝对零度了。

首先需要明白一点,温度有下限绝对零度,但很多人不知道的是温度其实也有上限,并不能达到无限高,这个上限就是普朗克温度,1.416833(85) × 10的32次方K,也就是大约1.4亿亿亿亿度!

绝对零度约等于零下273度,这个大家都知道。那么什么是普朗克温度呢?普朗克温度是宇宙大爆炸发生一个普朗克时间时的温度,普朗克时间是有意义的最短时间单位,而普朗克温度被认为是宇宙最高温度,任何比普朗克温度热的温度都没有意义。

普朗克温度的数值看起来很大,而绝对零度的数值很小,不少人都此不解,其实这是由于人们对温度的定义造成的,人们定义冰水混合物为零度(标准大气压下),水沸腾温度为100度,如果定义冰水混合物为100亿度,绝对零度的数值就会很大。所以问题的关键不是数值的大小,而是为何我们不能突破最低温度绝对零度!

这需要从微观世界也就是量子世界来诠释,我们知道温度其实就是微观粒子运动快慢程度,而在微观世界,由于存在不确定性,粒子会非常随机地出现在某个地方,无论如何不可能达到绝对的静止,所以,我们不可能让温度达到绝对零度。除非我们能让微观粒子的不确定性消失,达到绝对的静止,否则绝对零度是不可能达到的。而在量子力学中,不确定性是最基本的特性。

最高的温度普朗克温度与绝对零度也很类似,由于普朗克时间是最短的时间单位,宇宙大爆炸发生一个普朗克时间之后的温度就是最高的普朗克温度,因为不可能存在半个普朗克时间,这样的时间是没有意义的。

这有几个原因。绝对0下对人类并没有实用价值,因而研究没了动力。而且绝对0下不但要把热特别(阻隔热)材料,要持续长时间才能达到。冰箱功率要巨大。而特超高温可做人造太阳,还有基础研究等等,都有实际广泛用途。

物质运动热加力,十万亿度可累续。

绝对零度空间无,粒子压缩没处去。

实性物质的对立一面就是空间!个人以为,黑洞就是空间凝聚收缩的产物 ,黑洞中极有可能存在着绝对零度下限的低温!无奈的是根本无法探知,因为正反物质存在的温度底线划开了两个截然不同的世界。如果那个世界也存在着智慧生命,面对类似的问题或许也会和我们一样,不懈的努力换得的依旧是千般的思绪,万般的无奈!!!

2020年4月2日,位于合肥的“东方超环”可控核聚变实验装置,首次实现了“1亿摄氏度情况下,稳定运行10秒”

这一成就意味着,人类文明距离“成功实现可控核聚变”又近了一步,但目前人造最高温度并不是1亿摄氏度,而是2012年时,高能物理学家们用加速器,生成的5.5万亿摄氏度。

在物理学中,温度是粒子运动速度的外在表现,并不是宏观意义上感觉到的“温度”,正因如此,加速器中的单个粒子,才能达到5.5万亿摄氏度的超高温,且不对宏观世界产生影响。

相比人类在“创造高温”方向上的大踏步前进,“创造低温”的路则要短得多,因为在我们的宇宙中,最低温度就是零下273.15摄氏度,也叫绝对零度

-273.15,和5.5万亿,这两个数字看上去,后者似乎比前者“更难”,但在物理学中,前者就好像光速一样,你只能无限接近它,但永远不可能达它

那么问题来了,人类为什么永远无法达到绝地零度呢?

这个问题涉及到了温度的本质,以及热力学的本质,前面我们已经说过,温度是因为粒子运动才出现的,所以说只要有粒子在运动,就有温度随之产生,因此想要实现绝对零度,首先就要让所有的粒子停止运动。

在现代物理学中,量子力学的研究范围就是全体微观粒子,而在量子力学中有一个“不确定性原理”,大意是说类似核外电子这样的微观粒子,是无法被同时确定位置和动量的,科学家们只能用概率来描述它们,而无法像在宏观世界一样,精准预测它们的运动速度和范围。

在任何物质都由原子组成,原子又由电子和原子核组成的情况下,无法定位电子就无从“静止”电子,因此电子就会无休止的运动下去,而运动就会带来热量,这种热量极其微弱,阻止了“绝对零度”的出现。

目前物理学家在实验室中用激光制冷,生成过0.5nk的低温,也就是比绝对零度高20亿分之一k,尽管距离“绝对零度”已经如此之近,但物理学家们也知道自己不可能到达“绝对零度”,就像无法达到光速一样。

在量子力学禁止人类生成绝对零度的同时,相对论也禁止人类生成“最高温度”

物理学中的“最高温度”叫普朗克温度,计算出的数值是1.416808(33)×10^32K,迄今为止它只在宇宙大爆炸瞬间出现过。

如果说绝对零度就是粒子的绝对静止,那么最高温度,就是粒子运动速度的上限,也就是光速。

微观粒子除了光子,其余都是存在静止质量的,所以它们都无法达到光速,这样一来最高温度的实质表现就是“粒子无限接近光速”时,就是最高温度

温度的上限和下限,真空光速,核聚变质能转化率,这些客观存在的条条框框”,是我们宇宙的“天花板”,人类物理学只能在天花板下大展拳脚,而无法打破它们。

说到物体温度是所有人最熟悉但也是最陌生的概念,熟悉的是我们每天都会看天气预报,看一天的最高温度和最低温度,好决定第二天搭配什么样的衣服。在此次疫情期间我们出入社区都需要测量自己的体温,也很清楚地知道体温在什么范围内是合格的。

在大部分人常规的理解中温度就应该是没有限制的,最高最低都可以是无限的,但实际情况远非如此,宇宙是有温度极限的,最低温度是绝对零度(0k),也就是-273.15摄氏度。而最高温度按照现在的科学体系来说也是有极限的,我们可以称之为普朗克温度,大约为1.42×10^32度,也就是经常出现的数据1.42亿亿亿亿度。

要理解宇宙的高低温度极限,首先要清楚地知道温度的概念,温度宏观上是衡量一个物体冷热状态的物理量,从微观角度来看,它表示的是物体分子热运动的剧烈程度,或者更准确的说是分子运动的平均动能大小。当微观分子运动的越剧烈,物体所表现出的温度值就越高。


那接下里的温度极限就好理解了,分子运动平均动能可以换一个角度来看,那就是分子的运动速度。正常理解下分子可以静止,速度最快为光速,那么按照这样的定义就可以出现温度极限了。但实际上并不正确,因为分子不可能静止,同时也不可能为光速,按照爱因斯坦的狭义相对论限制,有静止质量的物体永远都达不到光速,虽然分子是微观粒子,质量很小,但依然有静止质量。

其次是分子也不能完全的静止,这一点可以从量子力学的角度来切入,量子力学中非常核心的一个概念就是不确定性原理或者说测不准原理,简单的理解就是我们不能同时掌握微观量子的位置和动量,它们只能通过概率来表示,例如我们不能说一个量子就在A点,只能说它在A点的概率是多少。那么同样一个微观粒子也无法完全静止,那样的话位置和动量就是确定了,这就直接把量子力学推翻了。


因此从热力学角度来看,当微观粒子的平均动能降低到量子力学允许的最低点时,物体的温度达到绝对零度也就是-273.15摄氏度(0k)。但是这个理论的最低点是无法达到的,因此说绝对零度也是一个理论值,只能无限的接近,但并不能达到绝对零度。

宇宙的最低温度极限了解了,那接下来继续看宇宙的最高温度限制,前边提到了微观粒子速度光速,那就是温度的极限,但这里并不能这样理解。宇宙的最高温度应该是没有限制的,只不过超过某个值就变的没有意义了。


目前关于宇宙的起源都认为是138亿年前的奇点大爆炸,而在此之后宇宙经过不断地膨胀形成今天的模样,理论上来讲随着宇宙的膨胀温度是逐渐的下降的,那么在宇宙大爆炸后那个瞬间温度应该是最高的,我们把它称之为普朗克温度,科学家计算的数值为1.4亿亿亿亿摄氏度。


为什么会被称为普朗克温度?因为按照量子力学的观点,在宇宙大爆炸的瞬间我们可以把时间精确到10^-43秒,这就是时间的最小跨度了,我们把它称为普朗克时间,因此在这个时间跨度之后的温度就是最高温度极限普朗克温度了。其实还可以从另外的角度来考虑,如果物体温度高于普朗克温度,那么它就要辐射出波长小于普朗克长度的电磁波,但是目前普朗克长度就是有实际意义的最小长度,再低于这个长度在当前科学体系下就没有意义了。


目前为止我们并没有发现打破宇宙最高温度和最低温度的极限值现象,科学家在宇宙中发现的最低温度是1k(-272.15摄氏度),它来自于回力棒星云,这个星云位于半人马座距离地球5000光年。科学家分析产生这样低温的原因是星云在初期发生了绝热膨胀,气体快速膨胀对外做工,因此温度急剧下降。


可以说目前的宇宙高度温度极限并非是谁规定的,只不过是在我们目前的科学体系下推导出来的,低于绝对零度和高于普朗克温度在现在的科学体系之下都是没有意义的,并且在现实生活中也没有发现过这样的情况。


文/科学黑洞,图片来源网络侵删。

很很很简单:冷不能制冷,只有热制冷。

原创首发:2019.11.18

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