宇宙的最高温度有上限吗(-273.15有何特殊意义)
宇宙的最高温度有上限吗(-273.15有何特殊意义)
2024-11-08 09:12:31  作者:湿了红绡  网址:https://m.xinb2b.cn/tech/rio260458.html

如果有人问起,宇宙最低温度是多少?相信大家都可以给出答案:-273.15℃,但如果被追问,这个有零有整的-273.15℃,它到底有何特殊意义?为何宇宙最低温度会被限制为-273.15℃呢?可能就有人回答不上来了,回答不上没关系,下面我们就来聊一下这方面的知识。


温度是一种用来表示物体冷热程度的物理量,想要讨论温度,首先就得给温度定义一个计量单位,怎么定义呢?

我们知道,在1个标准大气压下,水的冰点和沸点都是固定的,这显然可以当作一个非常好的参考。

所以1742年的时候,瑞典物理学家安德斯·摄尔修斯(Anders Celsius)提出,在1标准大气压下,沸水的温度可以记为0度,而冰水的温度可以记为100度,这两者之间可以分为100等分,每一等分就是1度,而这就是我们常用的温度计量单位——摄氏度(℃)的由来。


(安德斯·摄尔修斯)

看到这里你肯定要问了,这是不是搞反了,难道不是冰水的温度是0度,沸水的温度是100度吗?其实并没有搞反,摄尔修斯当时提出这种定义,是为了避免在测量温度时因为低于水的冰点而出现负数。

后来人们觉得这种定义很不方便,毕竟从直觉上来看,数值越大,温度就应该越高,另一方面来讲,比沸水更高的温度也是存在的,出现负数依然不可避免,于是人们干脆就将这种定义反过来了,并一直沿用至今。

早在16世纪,著名物理学家伽利略就发现了气体的热胀冷缩现象,而有了“摄氏度”的定义以及精确测量温度的技术之后,人们就可以更深入地研究温度对气体体积的影响。

在1787年的时候,法国物理学家雅克·查尔斯(Jacques Charles)对多种气体进行了实验,他的实验结果表明,在压强不变的情况下,这些气体的温度每升高1℃,体积的增加量总是一个固定的值,大概是其在0℃时体积的273分之1。


(雅克·查尔斯)

意思就是说,假设一团气体在温度为0℃的时候的体积为1立方米,那么当温度提升到1℃的时候,其体积就会增加大约0.00366立方米(其在0℃时体积的273分之1),也就是1.00366立方米,提升到2℃的时候,其体积又会增加0.00366立方米,也就是1.00732立方米,接下来也是这样累加,比如说温度提升到100℃的时候,这团气体的体积就增加到了1.366立方米。

1802年,英国物理学家盖-吕萨克(Gay-Lussac)据此提出了“查尔斯定律 ”(也称“盖-吕萨克定律”),该定律指出,在恒定压力下,理想气体的体积与其温度成正比,而雅克·查尔斯测量出的“273分之1”,则被当作压力不变时气体的体积膨胀系数。


(盖-吕萨克)

到了19世纪中叶,人类的测量技术得到了较大的进步,科学家在实验室中将这个膨胀系数精度提升到了273.15分之1。

想象一下,既然在恒定压力下,一团气体的温度每升高1℃,其体积的增加量总是其在0℃时体积的273.15分之1,那这团气体的温度每降低1℃,其体积的减少量就同样也是其在0℃时体积的273.15分之1。

简单计算后就可以得出,对于一团初始温度为0℃的气体来讲,当温度降低至-273.15℃的时候,这团气体的体积就为零(前提是压力是恒定的)。显而易见的是,一团体积为零的气体是不可能存在的,而这也就意味着,-273.15℃是不可能达到的。

由此可见,-273.15℃这个有零有整的温度值的特殊意义就在于,它是科学家通过理论和实验计算出来的宇宙温度在理论上的下限值。


(开尔文勋爵)

1848年,被誉为“热力学之父”开尔文勋爵在其论文《关于一种绝对温标》中,提出了一种与测温物质的属性无关的纯理论上的温标,将这种“绝对温标”将理论上的温度下限值,也就是-273.15℃设为“绝对零度”,并以摄氏度作为其单位增量。

是的,这种温标也就是后来的热力学温标,其单位为K(开尔文),根据定义,1K的温度变化与1℃相等,只是两者的计算起点不同而已,两者可以简单地用“K = ℃ 273.15”来进行换算,比如说1℃,就相当于274.15K。

在接下来的时间里,随着科学的进步,人们也清楚了宇宙中温度的本质,其实就是物体内部微观粒子热运动的激烈程度,所以“绝对零度”对应的温度当然就是“物体内部微观粒子的热运动的激烈程度为零”。


用大白话讲就是,如果一个物体内部所有的微观粒子都完全静止不动了,那么这个物体的温度就是“绝对零度”,也就是-273.15℃。显而易见的是,这样的情况并不会发生,因为在我们所在的宇宙中,根本就找不到完全静止不动的微观粒子。

另一方面来讲,根据量子力学中的“不确定性原理”,宇宙中基本粒子的位置和动量不可能同时精确地确定,而假如一个物体真的达到了-273.15℃,就意味着基本粒子的位置和动量可以同时精确地确定,这就违反了量子力学,所以这个温度也是不可能达到的。

综上所述,-273.15℃其实是科学家们根据宇宙中的实际情况定义出的温度下限值,而这就是宇宙最低温度被限制为-273.15℃的原因,从理论上来讲,宇宙中任何物质的温度最多也就只能无限地接近这个温度,却不可能达到或者低于这个温度。

好了,今天我们就先讲到这里,欢迎大家关注我们,我们下次再见。

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