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零下273.15攝氏度有多可怕?光被凍結,宇宙變得漆黑一片

天空之城 2022/07/17

數學世界中存在無限大和無限小的概念,然而客觀世界中的絕大多數物理指標都存在極限。以溫度為例,溫度就存在上限和下限。

溫度的上限是普朗克溫度,數值約為1.4×10^32 攝氏度,這一溫度只存在于宇宙誕生的第一瞬間。在日常生活中,幾千攝氏度就已經算非常高的溫度了,普朗克溫度絕對是宇宙中曾經存在過的最高溫度了。需要注意,這一溫度是理論推導出來的。

至于溫度的下限,則是絕對零度,數值為零下273.15攝氏度。這是宇宙中理論上最低的溫度了。地球平均氣溫15攝氏度,而最冷的地方在南極,那裡有記載以來曾經達到過零下90攝氏度,絕對零度也僅比這個低了約180攝氏度。

不過如此低的溫度在宇宙中卻很稀鬆平常,因為宇宙的平均溫度為零下270.42攝氏度,僅比絕對零度高了2.73攝氏度。

可不要小看這一兩百度的差異,當溫度接近或者達到絕對零度時,會發生很多平時看都看不到的奇異現象。比如某些物質的溫度接近這個溫度時,會呈現出超流動性、超導性等特性。

零下273.15攝氏度,這不是直接測量出來的,而是推導出來的。科學家們最早是通過熱力學中的蓋-呂薩克定律推出的。對于理想氣體,當氣壓恒定,降低溫度,其體積便會隨著溫度的變化線性縮小。只需測得一定溫度范圍內體積隨溫度變化的規律,並延伸至體積為零時的情況,就能推導出宇宙中最低溫度的理論數值。

從巨觀上來說,溫度是表示物體冷熱程度的物理量。而從微觀角度來說,物體的冷熱程度表現為組成物體的各種大量粒子(比如分子、原子等)的熱運動的激烈程度。系統中的粒子運動越激烈,溫度也就越高。溫度具有統計意義,是大量粒子熱運動過程中平均動能的體現,因此對于個別粒子,溫度是沒有意義的。

所謂熱運動,就是構成物體的粒子在永不停息地做無規則運動。宇宙中的一切物體都在運動,運動是絕對的,而靜止卻是相對的。由于粒子的熱運動不可能完全停止,所以在客觀世界中零下273.15攝氏度是永遠也不可能達到的。這一結論在熱力學中被稱作熱力學第三定律。

在某些比較高端的實驗室中,科學家能夠利用鐳射、磁場等輔助手段,實現納開(0.000000001開)量級的溫度,也就是零下273.149999999攝氏度。

假設溫度達到了零下273.15攝氏度,會發生什麼呢?

根據熱力學的觀點,如果溫度真達到絕對零度,那構成物體的粒子必然處于絕對靜止狀態,粒子動能將為0。曾經科學家們也普遍這樣認為,直到量子力學的出現。

根據量子力學的觀點,當物體處于絕對零度狀態時,其內部的粒子動能並非為0,而是處于量子體系中的最低能量狀態,這些粒子仍將保持整個體系中最低能量級別的運動狀態,並非處于絕對靜止狀態。不過從巨觀角度來看,物體應該已經很接近絕對靜止狀態了。

通常任何溫度高于絕對零度的物體都會不斷地向外輻射電磁波。若是物體的溫度達到了絕對零度,由于整個體系中的粒子處于最低能量狀態,那這些粒子將不會輻射電磁波或者光子,通俗點來說就是連光子也被凍結了。

如果整個宇宙的溫度達到了絕對零度,那麼世界將變得一片漆黑。現在整個宇宙的平均溫度只差2開多,就接近絕對零度了。如果你到達外太空,並且遠離太陽,你會發現整個宇宙都是漆黑一片,只剩星光。隨著宇宙的加速膨脹,未來宇宙的溫度只會離絕對零度越來越近,整個宇宙空間也將會變得更加黑暗。

真到了這一步,一切都會陷于冷寂,整個時空中的萬物只會存在極其微弱的運動變化,那時時間和空間也就沒有了存在的意義,萬物將會歸于虛無。

說個題外話。有些人可能會問,為什麼這個最低溫度是零下273.15攝氏度,而不是0攝氏度?

其實這與溫標的設定有關。攝氏溫標是以標準大氣壓下冰水混合物的溫度為基點,並不是以最低溫度為溫標。如果採用熱力學溫標,溫度的數值就不可能為負。因為熱力學溫標是以理論上的最低溫度「絕對零度」為基點的。在熱力學溫標中,標準大氣壓下冰水混合物的溫度就為273.15開。


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