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深度长文:温度的本质到底是什么?温度有下限和上限吗?

我们每天都会关注天气温度的变化, 根据温度的变化选择增减衣服。你有没有想过,温度到底是什么?

物理学上来讲,温度是衡量物体冷热程度的物理量,地球上的生物对温度的变化都是很敏感的,当周围的环境温度低于某个临界值,生物就会出现代谢紊乱,脱水变性,蛋白质合成受阻等问题。

温度也不能过高,过高的温度会破坏酶的活性。大多数人在夏天都会感到没有食欲,就是因为天热的时候,胃蛋白酶的活性比较低,消化变慢。同时高温还会造成神经系统麻痹和缺氧等症状。

不过所谓的“温度是物体的冷热程度”这种定义其实是非常模糊的,很抽象,因为冷热本来就是相对的,用冷热程度描述温度的本质显然缺乏说服力。

举个例子,你把手放进0度的水冰里,然后再放进20度的水里,会感觉20度的水很热。但是如果你先把手放到40度的水里,然后再放进20度的水里,就会觉得20度的水冰凉。

那么,20度的水到底是冷还是热?很明显,仅靠冷热去描述温度是远远不够的。

在这种背景下,科学家们终于制定出了描述温度的具体标准,在一个标准大气压下,冰水的混合物的温度定义为0摄氏度,水的沸点温度定义为100度。

之后,科学家们发现温度并不是一直往下降,而是有一个极限最低值,绝对零度。那么,为什么温度会有极限最低值呢?

刚才说了,温度是物体的冷热程度,这种定义只是宏观上的表达,微观上来讲,温度是由分子热运动产生的。分子热运动越剧烈,温度就会越高。当然,物体的温度是大量分子平均动能的表现,而不是单个分子。

所以,如果分子停止了运动,那么温度就达到绝对零度了。

理论上讲,确实没错,分子的热运动停止了,意味着分子的势能和动能都为零,当然内能也就是零,分子处于绝对静止的状态。

但是,上面的假设是不现实的,因为任何粒子都会会永不停歇地做无规则运动,粒子不可能达到绝对静止的状态,所以绝对零度是不可能达到的,它只是一个理想状态下的极限温度。

从量子力学来讲,也是如此。在量子世界,微观粒子都具有不确定性,粒子的位置和速度不能同时确定,两者不确定性的乘积必须不小于一个常数。如果粒子的速度为零,意味着速度就是确定的,违反了量子力学的不确定性。

虽然知道绝对零度不能达到,但科学家们还是想通过实验来证明一下,于是科学家通过激光冷却等方法创造出了非常接近绝对零度的温度,仅仅比绝对零度零下273.15度高了38万亿分子一度!

不要以为差距如此小,但这种微小的差距也是难以逾越的鸿沟,不是通过努力就能超越的。

很多人都知道温度的下限绝对零度,那么温度有上限吗?很多人并不知道。

在我们日常生活中,几千度已经算是很高的温度了,但是几千度在宇宙里简直太小儿科了,随随便便一个恒星的温度就碾压这个温度了。

比如说,太阳表面的温度就达到6000度,在地球上,没有任何物体能承受如此高的温度。而太阳核心温度更是达到了惊人的1500万度。

不过,人类利用智慧能创造出比很多大自然温度都要高的温度,比如说原子弹爆炸瞬间的中心温度可以达到5000万度,而氢弹的温度超过一亿度。还有更高的温度,让人想象不到的温度,科学家通过大型粒子对撞机让两个粒子以接近光速的速度碰撞,碰撞瞬间可以创造出5万万千亿度的高温!

这个数字对于很多人来说是没有意义的,因为我们根本无法理解那个温度意味着什么。不过即便是那个温度,在宇宙最高温面前也不值一提。

宇宙中的最高温出现在138亿年前,宇宙大爆炸瞬间产生了1.4亿亿亿亿度的高温,这就是普朗克温度,是宇宙大爆炸发生一个普朗克时间之后的温度。

普朗克温度仅仅出现过一次,之后的温度再也没有出现过如此高温。理论上讲,宇宙大爆炸开始不到一个普朗克时间的温度可能会高过这个温度,但是普朗克时间是对我们意义的最小时间单位,小于普朗克时间的单位是没有意义的。

普朗克温度的意义不仅仅在于高得无法想象,还有更深的意义:如果你能创造出普朗克温度,就相当于创造出一个全新的宇宙。

总之,温度不但有下限,也有上限,之所以会这样,本质上来讲我们的宇宙是一个有限的宇宙,不允许任何无限的东西出现。不仅仅是温度,物体的其他物理量也都是有限的,比如说速度,密度等都不是无限的!

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