零下273.15度的絕對零度有多可怕?時間和空間的意義都將消失

芝诺乌龟 2021/04/13 檢舉 我要評論

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​在地球上,人類曾經在南極記錄到了最低的自然溫度,達到了零下89.2攝氏度(-89.2 ℃)。不過,人類可以製造出比這更低的溫度。以常見的液氮為例,其溫度僅為-196 ℃,氮分子在這種低溫下呈現為液態。液氫是火箭常用的一種燃料,其溫度更是低至-253 ℃。

那麼,溫度最低可以冷到什麼程度呢?

物質是由各種粒子構成的,粒子的永不停歇熱運動給予了物質溫度。因此,粒子的動能越大,它們所組成物體的溫度也就會越高。雖然粒子的最快速度是有限的光速,但由於相對論效應,粒子的動能可以是無限的,所以溫度可以無限升高。

不過,目前的物理學所能描述的最高溫度是普朗克溫度,其大小約為1.42×10^32度,這個溫度只在138億年前宇宙大爆炸的一瞬間達到過。對於普朗克溫度以上的狀態,現代物理學還無法描述,只能等待未來量子力學的創立。

另一方面,如果要讓溫度變得足夠低,就要讓粒子的動能變得足夠小。那麼,粒子的動能最小是多少呢?

顯然,當粒子不再運動時,動能為零時是最小值。此時,溫度也會降到最低,對應的溫度被稱為絕對零度,其大小為-273.15 ℃(或者0 K),這是根據實驗結合理論推導出來的結果。正因為如此,溫度不會無限降低,絕對零度是溫度的下限。

宇宙在最初時刻達到過普朗克溫度,但絕對零度無論如何都達不到。經過138億年的膨脹冷卻,目前整個宇宙的平均溫度為-270.42 ℃(宇宙微波背景輻射的溫度),仍然比絕對零度高了2.73度。

目前已知最接近絕對零度的溫度是在實驗室中實現的,物理學家把一塊金屬銠冷卻到了-273.1499999999 ℃,但仍然高出絕對零度0.0000000001度,就是無法達到絕對零度。

那麼,為什麼溫度不能冷卻到絕對零度?

愛因斯坦的相對論表明,宇宙中不存在絕對靜止的參照系,任何物體都存在某種運動,靜止只是相對的。另一方面,量子力學表明,粒子不會停止運動,否則它們的位置和動量就能同時被精確測量出來,從而違背不確定性原理。因此,粒子的動能始終大於零,溫度始終會高於絕對零度。

如果宇宙達到絕對零度又會怎樣?

首先,當溫度達到絕對零度時,現代物理學的兩大基石——相對論和量子力學都會崩潰,這與超過普朗克溫度的情況一樣。不僅如此,就連時間和空間的意義都會消失。

在絕對零度的宇宙中,一切能量都會完全耗盡,空間中沒有任何能量,宇宙不再發生任何變化,時間完全停止,或者說時間變得沒有意義。那麼,宇宙真的會耗盡所有能量嗎?

熱力學第二定律,即熵增原理表明,宇宙最終確實會耗盡能量,但不是所有能量,而是有用能量,它們都轉變成熱能。到了那時,宇宙將保持最低但非零的能量狀態,溫度最終達到了熱平衡,但不是絕對零度。

宇宙將會停止運轉,這就是宇宙的一種可能結局——熱寂。如果質子衰變真的出現,那麼,經過10^100年後,宇宙將會迎來這樣的結局。當然,對於人類乃至宇宙而言,這個時間是在十分久遠的未來。

今天的分享到此結束。

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