最高溫度和最低溫度都隻是理論上的一個(ge) 數據。
這個(ge) 數據就是普朗克溫度和絕對零度。量子力學認為(wei) ,宇宙最高溫度為(wei) 10^32K,也就是億(yi) 億(yi) 億(yi) 億(yi) K。這個(ge) “K”代表開氏度,就是熱力學溫度,如果與(yu) “℃”(攝氏度)比較,0 K(是零K,不是OK)就相當於(yu) -273.15℃,這就是絕對零度;而100℃則為(wei) 373.15K。也就是說開氏度減掉273.15就是攝氏度。
普朗克溫度和絕對零度都隻是一個(ge) 理論存在的溫度,也是人類能夠理解的最高溫度和最低溫度,高於(yu) 這個(ge) 溫度和低於(yu) 這個(ge) 溫度都沒有意義(yi) 。量子力學認為(wei) ,在宇宙大爆炸的普朗克時間,也就是大爆炸開始的10^-43秒,1000億(yi) 億(yi) 億(yi) 億(yi) 億(yi) 分之一秒時,其溫度為(wei) 普朗克溫度,即10^32K,這以後,宇宙漸漸冷卻,再也沒有出現過這個(ge) 溫度。
而絕對零度,是熱力學的最低溫度,是粒子動能低到量子力學最低點時物質的溫度,是存在於(yu) 理論中的下限值。我們(men) 知道,物質的溫度取決(jue) 於(yu) 其內(nei) 部原子、分子等粒子的平均動能,一個(ge) 物體(ti) 粒子動能越高,溫度就越高,當粒子動能達到最低點,不能再低時,就是絕對零度。
根據熱力學第三定律,絕對零度永遠也無法達到,因為(wei) 一個(ge) 絕對零度的空間,完全沒有粒子振動,而空間的存在是以物質為(wei) 前提的,沒有物質也就沒有空間,因此絕對零度的空間為(wei) 零,零空間就是虛無。
目前人類觀測到的最高溫度。
恒星中心一直在源源不斷爆發著核聚變,而恒星是宇宙的主要可見物質,占可見質量的99%以上。恒星表麵溫度從(cong) 幾千K到數萬(wan) K,乃至數十萬(wan) K不等,中子星表麵溫度可達1000億(yi) K。質量越大的恒星,溫度就越高,恒星中心溫度也是如此。
太陽這樣的恒星,中心溫度隻有1500萬(wan) K,但到了演化後期,激發氦核聚變的溫度需要1億(yi) K。比太陽質量大的恒星,核聚變不斷上升到更高層次,也就是按照元素周期表的排列序數,從(cong) 氫核聚變,經曆氦、碳、氧、氖、鈉、鋁、鎂、矽、硫、氬氣、鈣、鈦、鉻、錳等一路演化,一直到26號元素鐵結束。每一層次核聚變結束,恒星就會(hui) 向中心坍縮,從(cong) 而形成更高壓力和溫度,激發更高層次的核聚變。大質量恒星核心溫度可以高達30億(yi) K,從(cong) 而完成鐵元素之前的所有核聚變,在核心聚合成一個(ge) 鐵核。
比太陽質量大8倍的恒星就可以完成這一係列的核聚變,最終發生超新星大爆發,爆發的溫度可以達到幾百億(yi) 甚至上千億(yi) K,從(cong) 而完成比鐵更重元素的合成。但這還不是目前宇宙能夠得到的最高溫度,更高溫度是伽馬射線暴創造的。
伽馬射線暴是超大質量恒星爆發、黑洞或中子星相撞等極端事件中形成的,最強能量的伽瑪暴比超新星爆發能量還要強數百倍,可以再現宇宙大爆炸1/1000秒時萬(wan) 億(yi) 度高溫。這可能是迄今可能觀測到的宇宙自然界最高溫度了。
但目前已知存在的最高溫度是人類製造出來的。2010年11月8日,科學家們(men) 利用位於(yu) 瑞士和法國邊境的歐洲大型強子對撞機,模擬138億(yi) 年前宇宙大爆炸的瞬時過程。這次實驗是用兩(liang) 束鉛離子束,在27千米的地下環形軌道中以相反速度加速,當它們(men) 接近光速時讓它們(men) 相撞,相撞的瞬間產(chan) 生了10萬(wan) 億(yi) K的高溫,再現了宇宙大爆炸百萬(wan) 分之幾秒的場景,從(cong) 而可以觀察這一溫度下產(chan) 生“誇克—膠子等離子體(ti) ”的過程,印證宇宙大爆炸理論預測。
盡管這個(ge) 溫度隻存在一瞬,但卻被精密儀(yi) 器記錄下來。這是迄今為(wei) 止人類觀測到存在於(yu) 現實世界的最高溫度。
人類製造出的宇宙最低溫度。
宇宙最低溫度迄今也是人類在實驗室製造出來的,是NASA科學家團隊在國際空間站上創造出來的。他們(men) 在地麵做觀測冷原子實驗時,由於(yu) 地球重力影響,得到極低溫度冷原子態隻能觀測到幾分之一秒,瞬間就消失了。於(yu) 是他們(men) 將冷原子實驗室(CAL)送到國際空間站,在微重力環境,創造出了更低溫度,冷原子雲(yun) 固定觀測時間可達到10秒,成為(wei) 至今被觀測最長時間的玻色-愛因斯坦凝聚態。
這是迄今人類創造的最低溫度,為(wei) -273.149999999999℃,即0.000000000001K,就是萬(wan) 億(yi) 分之一K。
此前人造最低溫度也是科學家在實驗室創造的,達到0.00000017K。後來科學家們(men) 又把這個(ge) 溫度降低到0.5nK(納開),就是0.0000000005K。這是一個(ge) 由德國、美國、奧地利等國科學家組成的科研小組,利用磁阱技術實現銫原子的玻色-愛因斯坦凝聚態(BEC)的實驗過程中,創造這一紀錄的。
廣袤的宇宙空間溫度極低,在遠離天體(ti) 的空曠處,溫度低到3K以下。這是宇宙大爆炸後經曆138億(yi) 年冷卻的殘留熱輻射,通俗地說就是殘留餘(yu) 燼,這種殘留電磁輻射充滿整個(ge) 宇宙,溫度隻有2.725K,因此又稱為(wei) 3K宇宙背景輻射。
但這並不是宇宙自然界最低溫度。1979年,科學家們(men) 發現距離我們(men) 約5000光年,位於(yu) 半人馬座方位有一個(ge) 領結狀的原行星雲(yun) ,命名為(wei) 布莫讓星雲(yun) ,又叫回力棒星雲(yun) ,科學家們(men) 通過用各種射線望遠鏡探測表明,那裏的溫度低到1K,是迄今發現自然界存在的最低溫度。
現在還有一種說法,認為(wei) 在宇宙大尺度網狀結構之間,有許多被稱為(wei) “空洞”的冷斑點,有的空洞尺度達到數十上百億(yi) 光年,那裏麵沒有星係,也沒有暗物質,形成的原因有多種說法,有科學家認為(wei) 這種空洞裏的溫度更低,不過至今還沒有嚴(yan) 謹數據支撐,無法定論。
小結:目前已知的最高溫度為(wei) 10萬(wan) 億(yi) K,最低溫度為(wei) 萬(wan) 億(yi) 分之一K,這些溫度都是人工製造出來的。
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