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绝对零度有多可怕?

宇宙最高温可以达到兆一度以上,而最低温却不能低于绝对零度以下呢?

19世纪末,随着分子动理论的逐步建立,科学家们开始从微观角度探讨温度的本质。其中路德维希、玻尔兹曼等物理学家做出了重要贡献。玻尔兹曼通过深入研究,提出了温度的微观解释,其温度与物质内部微观粒子的平均动能成正比。这一观点为温度的微观定义奠定了基础。

1877年,玻尔兹曼在其著作中详细阐述了温度与微观粒子动能之间的关系,从而确立了温度的微观定义。这一成果不仅推动了物理学的发展,也为后人更深入的理解温度这一物理量提供了重要依据。

基于这个理论我们就可以知道,只要一个空间内组成物质的粒子动能足够大,那么温度就可以无限上升。粒子的动能可以大到什么程度呢?根据爱因斯坦相对论的质增效应,当一个粒子速度越接近光速,它的质量就会变大。一个氢原子以90%的光速运行时,它的质量增加了4.5倍。如果再加快无限接近光速,那么一个氢原子的动能就可以把太阳系毁灭。理论上讲,只要是有质量的物体,动能是可以无限增大的,温度没有最高上限,可以达到1.4亿亿亿摄氏度。

在中国著名科幻小说《三体》中,三体人居住的星球就是被一个光力给打掉的一个有质量且以光速运动的例子。在与三体星球对撞时,温度几乎是无限大的。

了解了温度没有上限,那么绝对零度的概念就好理解了。一个体系中所有粒子的动能全部为零,那么这个体系的温度就是绝对零度了。注意这个绝对零度只是相对的,因为在宇宙中找不到一个不运动的粒子,运动是永恒的。

目前科学家测出的绝对零度是零下273.15摄氏度,那么问题就来了,科学家是怎么测出这个绝对零度的?在地球上根本找不到一个绝对零度的环境。即便是在太空中,也到处充满着恒星释放的离子。

其实很简单,早在两百多年前就有人算出来了。测量绝对零度是多少?首先要做一个实验,一个小烧杯,一个大烧杯,一个瓶塞,一个温度计,只要这几样就可以。

1802年法国化学家约瑟夫路易盖吕萨克就做了这样一个实验。首先用瓶塞把小烧杯堵紧,在瓶塞上开一个小孔,把空气抽出来,然后再灌入氮气。把小孔堵住之后,他用温度计测量一下室温,发现在24.83摄氏度的时候,通过烧杯的刻度读出里面的氮气体积是84毫升。再把这个小烧杯放到大烧杯里,然后放入冰水。这时用温度计测量冰水的温度是零摄氏度,小烧杯的体积读数是77毫升。可以看出,温度降低,气体氮气的体积也随之降低。

接着他又往冰水里加热水,不断的测量记录水温与氮气体积的数值。就这样吕萨克就得到了一组数据,建立一个XY直角坐标系,用X轴的数据来标记温度,并找出Y轴对应的体积数据。然后点上一个点,把所有数据组都标在直角坐标系上以后,吕萨克发现二者是一个简单的1元1次线性关系,即Y等于AX加B,这里的A和B都是大于0的数。

上过初中的朋友都知道,这种一元函数图像与X轴只有一个交点。这个交点的Y等于0,也就是在气体体积为零的情况下,对应的X的数值恰好为-273.15摄氏度。

气体体积会等于0吗?显然是不可能的。即便是夸克它也有尺寸,有尺寸就有体积。所以吕萨克的简单实验得出了一个最极端的数据,这个数据是他用尺子画延长线得到的。也就是说当年他已经从宏观上给出了一个体系最低温度的极限,即绝对零度。

实验室创造不出来这个绝对零度的,用尺子画延长线的过程就是推理。目前人类能创造的最低温度是比绝对零度高0.5纳开尔温的温度,无限逼近,可就是达不到。

即便如此,就算用当下人类能创造出的最低温的环境把人放进去,会发生什么呢?细胞会迅速失活,然后破裂。因为同质量冰的体积要比水大,整个人会被冻成冰棍。与冰箱里的冻肉不一样,人在接近绝对零度的环境下冻住,人体会变得非常的脆。这时要是有一把锤子,可以轻松把身上的零部件给敲掉,就和敲一块冰一样简单。

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