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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

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。

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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