零下273.15℃的絕對零度有多可怕?它一旦出現,宇宙可能會終結

 
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在日常生活中,超過30攝氏度的氣溫會讓人產生炎熱的感覺,超過37.5攝氏度的體溫會導致發燒,超過一百攝氏度的開水足以讓人的皮膚燙傷。對於人類來說,這些溫度都算是高溫,但在太陽面前,這些溫度甚至可以忽略不計,因為根據科學家的估測,太陽表面的溫度至少也有5000攝氏度,其內核的溫度更是高達1500萬攝氏度。

太陽表面的5000攝氏度是什麼概念?地球上最耐熱的物質是鉿合金,在標準大氣壓下它的熔點是4200攝氏度,這意味著地球上任何物質貼近太陽表面,立馬就會融化或者蒸發。然而科學家表示這還不是宇宙溫度的上限,準確地說,宇宙溫度是不存在上限的,因為科學家已經在實驗室中創造出了上億攝氏度的溫度。

而宇宙溫度是存在下限的,即理論上的絕對零度。之所以稱其為「理論上的溫度」,是因為科學家現在還造不出這樣的溫度,也還未在宇宙中發現絕對零度。那麼絕對零度到底是多少度?為什麼人類造不出這樣的溫度?

溫度的本質是什麼?

溫度是人類定義的概念,從巨觀上來講它是衡量物體冷熱狀態的指標,從微觀層面來看,它是衡量分子運動激烈程度的指標。1827年,英國植物學家布朗通過實驗發現了布朗運動,即懸浮在液體或氣體中的微粒會持續做無規則運動,而且這種運動是永不停歇的。後來的科學家在布朗運動的基礎上進一步揭開了溫度的本質,即分子的不規則運動情況。

分子運動需要動能,當分子獲得了充足的動能時,它們就會不規則運動。隨著獲得的動能的增加,不規則運動的激烈程度也在不斷增加。而分子之間的不規則運動會導致分子之間的撞擊,撞擊會產生熱量。雖然單個分子的撞擊所產生的熱量可以忽略不計,但大量分子撞擊產生的熱量不可忽略,從而引發了溫度的上升。

那麼什麼因素能為分子增加動能呢?最常見的自然因素就有太陽光,太陽輻射越強烈,空氣中的氣體分子碰撞的程度就越激烈,對外產生的熱量就越多,進而導致溫度上升,人體感覺到炎熱。同樣的道理,如果分子無法獲得足夠的動能,那麼它們的不規則運動就會減慢或減輕,導致碰撞所產生的熱量減少,在巨觀上體現為溫度降低。

絕對零度是什麼概念?

絕對零度是一個物理概念,它是溫度的最低極限,在數值上等於零下273.15攝氏度。同時絕對零度也是熱力學中的最低溫度,19世紀物理學家威廉·湯姆遜·開爾文提出了絕對零度的概念,後來熱力學以他的名字定義了溫標的單位,即開爾文(K),因此科學家們也將絕對零度定義為溫標的開始,即0開爾文。

上面介紹到,溫度的本質是分子的不規則運動,當分子等微粒都不運動了,絕對零度就會出現。那麼地球上或者宇宙中是否存在不運動的微粒呢?答案是不存在的,因為運動是絕對的,靜止是相對的。那麼問題來了,溫度是需要通過介質進行傳播的,而太陽和地球之間的太空空間幾乎沒有物質,太陽是如何將熱量傳到地球上的呢?

太陽是如何給地球「加熱」的?

很多人認為太陽光本身就攜帶了巨大的熱量,它照射在地球的物質上,將熱量轉移到了地球物質上。但實際上地球的熱量都是它自己產生的,太陽發揮的是賦能的作用。太陽內部的核聚變會對外產生大量輻射,這些太陽輻射會向周圍的星球擴散。當一部分太陽輻射進入地球後,輻射中的光子和地球內部的分子發生碰撞,使得內部分子獲得了加速的動能。

這種現象並非發生在地球的局部區域,整個地球都籠罩在太陽的輻射中,因此地球內部所有的分子都會被太陽光子撞擊,然後產生加速運動,分子間的不規則運動加劇,導致分子間的碰撞加劇。根據能量守恆定律,分子的動能在撞擊的瞬間出現損失,而這部分損失的動能則轉化為了熱能,這就是撞擊、摩擦產熱的原因,也是地球內部持續產熱的原因。

由此看來,太陽之所以給地球加熱,並不是因為太陽光直接將熱量施加在地球物質上,而是因為太陽光子賦予了分子加速的能量,使得地球分子之間的不規則運動加劇。換而言之,太陽傳到地球上的並不是它所釋放的熱量,而是它的輻射。

為什麼太空中的溫度非常低?

除了向地球發出輻射之外,太陽還會對太陽系內其他星球發出輻射,但因為距離遠近的原因,靠得近的星球獲得更多輻射,距離較遠的星球則獲得更少的輻射。但無論是哪一顆星球,我們會發現星球與太陽之間的空間溫度非常低,低至零下272攝氏度,比較接近絕對零度,而星球卻能被太陽加熱,這是為什麼呢?

實際上這個問題的答案上面也講到了,因為太陽並沒有直接將熱量賦予分子,而是賦予了分子加速的能量。對地球是這樣,對其他星球已經宇宙空間中的分子微粒也是這樣。但不同的是,宇宙空間的狀態接近真空,即幾乎沒有分子微粒,因此太陽輻射無法在宇宙空間中找到賦能的物件,進而導致宇宙空間無法產生較高的溫度。

這個問題依然可以回到溫度的本質上進行解釋,分子的不規則運動導致了溫度的變化,而宇宙中大部分空間都是接近真空的狀態,即幾乎不存在任何物質分子。既然沒有物質分子,那麼輻射中的光子就無法在真空中發揮作用,即使輻射量再強,宇宙空間裡的分子熱運動現象都非常低,所以那裡總是保持超低溫的狀態。

為什麼人類創造不出絕對零度?

首先,從溫度的本質出發,人類根本無法做到讓分子微粒停止運動。一方面是因為我們還缺乏對微觀世界的認知,另一方面是因為我們缺乏對微觀世界進行操作的能力。實際上,歷史上的科學家也嘗試過創造絕對零度,只不過最後都失敗了。1926年,有科學家首次將溫度降低到了0.71開爾文,這是當時地球上最低的溫度。

1933年,又有科學家成功將這一溫度降到了0.27開爾文,打破了之前最低溫的紀錄。但從這一次開始,最低溫度都一直維持在0.27開爾文。直到1957年,國外科學家創造出了0.00002開爾文的超低溫紀錄,再一次刷新了最低溫度的紀錄。隨著對微觀物理學的深入研究,現代物理學家已經能利用原子核的絕熱去磁方法獲得更低的溫度,即3000萬分之一開爾文。

儘管這一溫度已經是世界最低溫度了,但從科學的角度來看它還不是絕對零度。對此許多科學家認為,絕對零度只能逼近,而無法達到。這是因為分子在微觀世界的運動存在多種情況,即分子平動、分子轉動、分子振動、電子運動和核運動。而人類目前只能讓分子停止平動和轉動,還無法讓分子振動、電子運動以及核運動都停止。

由此可見,分子運動是不可能停止的,它只會換一種方式重新運動。

宇宙的結局會是絕對零度嗎?

雖然絕對零度無法實現,但如果絕對零度出現了,將意味著什麼?有觀點認為這將意味著宇宙迎來終結。根據宇宙大爆炸模型,宇宙從138億年前的一個奇點爆炸開始,不斷地膨脹擴大,經過了138億年的努力才形成了如今的宇宙。但科學家發現雖然宇宙還在持續膨脹,但是它的膨脹速度在不斷減慢,這說明宇宙中的分子運動整體也在減慢。

眾所周知,要讓一壺冷水燒開,需要持續給它加熱。等到冷水燒開後,停止給它加熱,沸水很快又恢復平靜,並隨著時間的推移逐漸冷卻。同樣的道理,宇宙誕生於一次特殊的奇點爆炸,這一次爆炸使得宇宙獲得了無窮的能量得以向外膨脹。但這樣的爆炸只發生了一次,宇宙如果想要一直膨脹下去,就必須有持續的能量源為其供能。

目前科學家還未在宇宙中發現這類能量源,也就是說宇宙最終也可能有停止的那一刻。因此有科學家推測,絕對零度或許就是宇宙發展的盡頭。如果科學家的推測符合實際情況,那這也可以解釋為什麼人類一直創造不出絕對零度。因為人類的能力還無法阻礙宇宙的發展趨勢,我們只能窺探宇宙發展的背後原因。

總而言之,人類在宇宙面前還是無比渺小,或許我們能夠探索到一些事物和現象的本質原因,但無法改變它們的發展軌跡。就像我們知道溫度的本質,但卻無法創造出最低的溫度。

 

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