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速看:宇宙最高温度可达1.为什么最低温度只有-273亿.15℃?

2022-07-28 19:43:58 来源:刀哥百科

近几十年,人类对于宇宙的探索活动愈加频繁,常常孤独仰望星空的“人类”极度渴望在其他星球上找到和自己类似的生命体,当然除了在寻找其他文明,我们也在积极地扩张“人类文明版图”,所以寻找宜居的“待选移民星球”也是我们探索宇宙时需要完成的重要任务


(资料图)

我们在判定其他星球是否宜居时,常常按照以下三个标准,第一,是否含有液态水。第二,温度是否适宜,或者是否有大气能够做到良好的温控。第三,是否存在磁场帮助我们抵挡辐射。温度的高低则是液态水是否能形成的关键,太低的话就像冥王星那样变成了“冰冻死亡之星”,太高则像金星那样,雨尚未落地就已经被蒸发殆尽了

多年来科学家对于宇宙温度的数值的推断,上限趋于不断提升的态势,目前认定的宇宙最高温度为1.4亿亿亿亿度下限却一直固定在-273.15℃,这二者之间显著的差距不由使人感到疑惑,为什么宇宙的最低温只能是-273.15℃呢?这一数值又是如何得知的?最低温度的记录在未来会被打破吗?

带着这些疑问,我们一起走进宇宙“忽冷忽热”的进化史,来看看-273.15℃下的世界是什么模样的?万事万物在这之下会不会处于“绝对静止”?

温度到底是什么?

普通人感知和定义温度的方式比较简单粗暴,我们时常只用冷和热来定义温度,至于用什么感知?当然是用自己的身体实测了,比如让你冬天穿着短袖出门,那你肯定是不愿意的,因为你的身体对冬天的“寒冷温度”有着清楚的认知,这种认知牢牢地刻在了你的脑海中。

其实温度本身是一种物理量,现在的物理学家认为温度的详解应该是“物质热运动的物理量”,这种说法告诉我们温度是依赖物质存在的,假如没有物质那么温度也就没有意义了,可见在宇宙大爆炸产生物质之前,宇宙当中不仅没有时间、空间,也没有温度,温度其实和它们二者类似,都是宇宙中的一个尺度。

温度的测量只能通过物体的某些变化特征来判定,这种测量方式是间接测量,而度量温度的标尺叫做温标,温标有许多个等级,比如有开尔文单位、华氏温标、摄氏温标、列氏温标等等。开尔文单位最为特殊,因为它以绝对零度作为起始温度,这一温度常使用符号K表示。

开尔文温度和人们习惯使用的摄氏温度相差一个常数273.15,即= 273.15(是摄氏温度的符号)。

我们在日常生活中经常使用到的温标则是摄氏度,这一温标将标准大气压之下的冰水混合物作为起始温度,也就是0度,需要注意这里对于0度的定义已经发生了变化,完全不同于开尔文单位。华氏温度则是美国和一些欧洲国家常用的温标,它的表示符号为℉。

对于温度的测量方法也有很多种,比较常见的就是接触式测温法,这种方法通常会使用测温设备与待测对象直接接触。像我们在发烧时使用的传统温度计就是利用了这种方法,不过这种方法常常会因为接触不良而使得测量结果出现误差,这可能就是为什么医生嘱咐将温度计放在腋下时不能乱动的原因。除了这种方法之外,还有非接触式测温法,不过这种测量方法的误差更大

宇宙最高温1.4亿亿亿亿度

对于宇宙何时诞生又是怎样诞生这一问题,一直以来都是科学界在孜孜不倦探索的,目前广受认可的就是“宇宙大爆炸起源论”,并且这一理论在多年以来也得到了许多的证据支持。因此在进行了多次推导和计算之后,科学家们认为宇宙最高温度为1.4亿亿亿亿度,它的出现时间是宇宙大爆炸的那一刻,这也是理论上宇宙的最高温度。

上文中我们在介绍温度的基本概念时有提到,温度从微观上来看实际上就是物体分子运动的剧烈程度。因此如果宇宙的诞生真的是起源于那场大爆炸,那么在爆炸起始物质运动的频率一定是“无限大”的,而温度与物质运动的频率呈正比,所以说宇宙的最高温是诞生之始的温度并无差错

宇宙大爆炸之初的温度虽然达到了1.4亿亿亿亿度,但是在这之后温度就开始下降,比如在大爆炸发生的10-32秒后,温度就降到了1亿亿亿度。科学家指出,在宇宙爆炸的早期,由于温度实在是太高了,电子是无法和原子核结合成为原子的,无数的电子在宇宙当中游荡,成为了等离子体。这是热气腾腾的宇宙,就像是装满混沌物体的一口大锅。

等到宇宙诞生了38万年以后,温度渐渐降到了6000℃,不少人会发现这时宇宙的温度已经和太阳表面的温度十分相似了,因此原子的形成终于可以顺利进行了,宇宙也从一锅“混沌的粥”变得清明起来了。

原子不受电磁辐射的干扰,聚集起来形成气体云团,并在自身引力的作用下开始坍缩,形成第一批恒星和星系。

值得一提的是宇宙从极限高温降下之后,又开始了升温,因为根据红移现象我们可以知道宇宙现在仍旧处在膨胀当中,而这种因为宇宙结构的引力坍缩形成的加热,在日后会不断持续下去

宇宙最低温-237.15℃

宇宙的最高温度是1.4亿亿亿亿度,最低温却只有-273.15℃,上限和下限的差距如此巨大,其实完全是因为温度本身就与物质分子运动的速度有关。像宇宙大爆炸初期,所有物质都处在快速运动当中,因此摩擦力就强,产生的热量多,温度自然就高。但是最低温,就要求物质的运动趋于静止状态,或者说是物质运动速度最小的时候,这时测得的温度为-273.15℃,这一温度一直以来也被称为“绝对零度”

虽然我们根据物质趋近停止运动的状态推导出了最低温的数值,但是目前我们在宇宙当中发现的最低温度实际上达不到-273.15℃,宇宙当中最冷的地方是布莫让星云,也叫作回力棒星云或者领结星云,距离地球大约5000光年,它的温度是-272℃

那么人们是如何发现这个绝对零度值存在的呢?实际上也经历了漫长的论证过程,在16世纪时,法国物理学家阿蒙通过发现温度和气压之间的密切联系,推导出温度下降限度在-246℃左右

到了1787年,法国物理学家查理根据气体体积、气压和温度三者的关系,总结出了一个定律,这就是后来十分出名的查理定律。

查理定律:一定质量的气体,压力不变,温度每降低1℃,气体体积的缩小为其在0℃时体积的1/273。照此推算下去就得到了一个结果,宇宙最低温度为-273.15℃。

由此可知,绝对零度这一概念与物质本身是相关的,如果温度达到了-273.15℃,那么物质的体积也消失了,没有物质的存在温度也不会再存在了,因此大家应该可以理解为什么最低温只能无限趋近-273.15℃,而永远不可能达到

我们换一种通俗的方法解释,以大家家里的冰箱为例,在冰箱的内壁一般有不断在循环的制冷剂,那么如果想让冰箱变为绝对零度,就要让制冷剂的温度比绝对零度还低。绝对零度时分子已经完全停止运动,怎么可能有方法使得分子运动速度比静止时还要慢呢?这无疑是不可能实现的,因此绝对零度值尚且只存在概念当中。

超低温现象

不得不说,虽然我们的实验无法到达绝对零度,但是超低温现象却能够帮助到我们很多。在温度很低时,一些物质都会表现出不同的现象,根据这一特性,将“超低温”广泛地运用于航天、农业、医学等领域,可以得到意想不到的惊喜,许多新兴成果都可以造福人类。

那么我们首先来看看超低温现象下的一些“奇观”,当温度达到零下190℃时,我们的空气会变成浅蓝色的液体。没错,我们觉得看不到摸不着的东西在超低温下会变成液态的。而金属在超低温下不是冻成了固体,就是变成了粉末。还会出现所谓的“超导现象”

超导现象指的是这一金属在这时的电阻变成了0,电阻为0代表着电流可以毫无阻碍地通过该物体产生超强磁场

如果我们可以利用超低温制作出“超导体”,那么电力耗损将一步减少,发电效率将会大幅度提高。所以在能源利用领域,超导输电、超导储能和超导电机都是备受热捧的对象。此外磁悬浮列车、核磁共振成像、超导反潜、电磁推进等技术,都有超低温技术的功劳。

此外科学家还发现超低温现象下会出现“超流体现象”,这一流体的特点是完全缺乏粘性,因此将其放置在环形容器中,会出现永不止境的循环运动,不过超流体形成的温度条件更为苛刻,比超导体还要低一些。液态氢-4在冷却达到2K以下之后,可以呈现出超流体现象。

人体的耐温极限

宇宙的高温和低温显然都是我们人类无法忍受的,毕竟我们的躯体非常脆弱,暴露在极冷或者极热的环境下,可能仅需十几秒就能完全死亡。不过还是有一些挑战过人体极限温度的人存在的。

科学家发现人体在干燥的71℃高温环境中,可以坚持一个小时。到了104℃时还能坚持26分钟,这一结果还是挺让人震惊的,毕竟在我们认知中,可能超过了60℃,就已经不省人事了。所以,我们的身体还是确实能起到散热的效果,如果超过散热极限就会死亡。

不过对于低温的耐受性就没有这么强了,当温度过低,我们的人体核心温度低于35℃时,就会产生失温症状。这一症状下的人会出现精神错乱,在迷乱中反而将衣服脱掉。可见有时候人体能忍受的低温,相较于高温而言还是很有限的。

结语

通过本文我们知道了,温度的高低与物质运动的快慢有关,宇宙中的高温和低温之所以差距如此大,是因为物质运动的最慢速度只能是趋于静止,无法实现,更别说想要比静止还慢了

不过温度作为一种刻度,也只是宇宙多种尺度中的一个,尚有不确定性,很难说随着我们对“物质”微观世界了解得更多以后,再加上宇宙宏观世界的发现,会不会探索到新的“极限”

关键词: 绝对零度 宇宙大爆炸 最高温度