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零下273.15℃的绝对零度有多可怕?它一旦出现,宇宙可能会终结

在日常生活中,超过30摄氏度的气温会让人产生炎热的感觉,超过37.5摄氏度的体温会导致发烧,超过一百摄氏度的开水足以让人的皮肤烫伤。对于人类来说,这些温度都算是高温,但在太阳面前,这些温度甚至可以忽略不计,因为根据科学家的估测,太阳表面的温度至少也有5000摄氏度,其内核的温度更是高达1500万摄氏度。

太阳表面的5000摄氏度是什么概念?地球上最耐热的物质是铪合金,在标准大气压下它的熔点是4200摄氏度,这意味着地球上任何物质贴近太阳表面,立马就会融化或者蒸发。然而科学家表示这还不是宇宙温度的上限,准确地说,宇宙温度是不存在上限的,因为科学家已经在实验室中创造出了上亿摄氏度的温度。

而宇宙温度是存在下限的,即理论上的绝对零度。之所以称其为“理论上的温度”,是因为科学家现在还造不出这样的温度,也还未在宇宙中发现绝对零度。那么绝对零度到底是多少度?为什么人类造不出这样的温度?

温度的本质是什么?

温度是人类定义的概念,从宏观上来讲它是衡量物体冷热状态的指标,从微观层面来看,它是衡量分子运动激烈程度的指标。1827年,英国植物学家布朗通过实验发现了布朗运动,即悬浮在液体或气体中的微粒会持续做无规则运动,而且这种运动是永不停歇的。后来的科学家在布朗运动的基础上进一步揭开了温度的本质,即分子的不规则运动情况。

分子运动需要动能,当分子获得了充足的动能时,它们就会不规则运动。随着获得的动能的增加,不规则运动的激烈程度也在不断增加。而分子之间的不规则运动会导致分子之间的撞击,撞击会产生热量。虽然单个分子的撞击所产生的热量可以忽略不计,但大量分子撞击产生的热量不可忽略,从而引发了温度的上升。

那么什么因素能为分子增加动能呢?最常见的自然因素就有太阳光,太阳辐射越强烈,空气中的气体分子碰撞的程度就越激烈,对外产生的热量就越多,进而导致温度上升,人体感觉到炎热。同样的道理,如果分子无法获得足够的动能,那么它们的不规则运动就会减慢或减轻,导致碰撞所产生的热量减少,在宏观上体现为温度降低。

绝对零度是什么概念?

绝对零度是一个物理概念,它是温度的最低极限,在数值上等于零下273.15摄氏度。同时绝对零度也是热力学中的最低温度,19世纪物理学家威廉·汤姆逊·开尔文提出了绝对零度的概念,后来热力学以他的名字定义了温标的单位,即开尔文(K),因此科学家们也将绝对零度定义为温标的开始,即0开尔文。

上面介绍到,温度的本质是分子的不规则运动,当分子等微粒都不运动了,绝对零度就会出现。那么地球上或者宇宙中是否存在不运动的微粒呢?答案是不存在的,因为运动是绝对的,静止是相对的。那么问题来了,温度是需要通过介质进行传播的,而太阳和地球之间的太空空间几乎没有物质,太阳是如何将热量传到地球上的呢?

太阳是如何给地球“加热”的?

很多人认为太阳光本身就携带了巨大的热量,它照射在地球的物质上,将热量转移到了地球物质上。但实际上地球的热量都是它自己产生的,太阳发挥的是赋能的作用。太阳内部的核聚变会对外产生大量辐射,这些太阳辐射会向周围的星球扩散。当一部分太阳辐射进入地球后,辐射中的光子和地球内部的分子发生碰撞,使得内部分子获得了加速的动能。

这种现象并非发生在地球的局部区域,整个地球都笼罩在太阳的辐射中,因此地球内部所有的分子都会被太阳光子撞击,然后产生加速运动,分子间的不规则运动加剧,导致分子间的碰撞加剧。根据能量守恒定律,分子的动能在撞击的瞬间出现损失,而这部分损失的动能则转化为了热能,这就是撞击、摩擦产热的原因,也是地球内部持续产热的原因。

由此看来,太阳之所以给地球加热,并不是因为太阳光直接将热量施加在地球物质上,而是因为太阳光子赋予了分子加速的能量,使得地球分子之间的不规则运动加剧。换而言之,太阳传到地球上的并不是它所释放的热量,而是它的辐射。

为什么太空中的温度非常低?

除了向地球发出辐射之外,太阳还会对太阳系内其他星球发出辐射,但因为距离远近的原因,靠得近的星球获得更多辐射,距离较远的星球则获得更少的辐射。但无论是哪一颗星球,我们会发现星球与太阳之间的空间温度非常低,低至零下272摄氏度,比较接近绝对零度,而星球却能被太阳加热,这是为什么呢?

实际上这个问题的答案上面也讲到了,因为太阳并没有直接将热量赋予分子,而是赋予了分子加速的能量。对地球是这样,对其他星球已经宇宙空间中的分子微粒也是这样。但不同的是,宇宙空间的状态接近真空,即几乎没有分子微粒,因此太阳辐射无法在宇宙空间中找到赋能的对象,进而导致宇宙空间无法产生较高的温度。

这个问题依然可以回到温度的本质上进行解释,分子的不规则运动导致了温度的变化,而宇宙中大部分空间都是接近真空的状态,即几乎不存在任何物质分子。既然没有物质分子,那么辐射中的光子就无法在真空中发挥作用,即使辐射量再强,宇宙空间里的分子热运动现象都非常低,所以那里总是保持超低温的状态。

为什么人类创造不出绝对零度?

首先,从温度的本质出发,人类根本无法做到让分子微粒停止运动。一方面是因为我们还缺乏对微观世界的认知,另一方面是因为我们缺乏对微观世界进行操作的能力。实际上,历史上的科学家也尝试过创造绝对零度,只不过最后都失败了。1926年,有科学家首次将温度降低到了0.71开尔文,这是当时地球上最低的温度。

1933年,又有科学家成功将这一温度降到了0.27开尔文,打破了之前最低温的纪录。但从这一次开始,最低温度都一直维持在0.27开尔文。直到1957年,国外科学家创造出了0.00002开尔文的超低温纪录,再一次刷新了最低温度的纪录。随着对微观物理学的深入研究,现代物理学家已经能利用原子核的绝热去磁方法获得更低的温度,即3000万分之一开尔文。

尽管这一温度已经是世界最低温度了,但从科学的角度来看它还不是绝对零度。对此许多科学家认为,绝对零度只能逼近,而无法达到。这是因为分子在微观世界的运动存在多种情况,即分子平动、分子转动、分子振动、电子运动和核运动。而人类目前只能让分子停止平动和转动,还无法让分子振动、电子运动以及核运动都停止。

由此可见,分子运动是不可能停止的,它只会换一种方式重新运动。

宇宙的结局会是绝对零度吗?

虽然绝对零度无法实现,但如果绝对零度出现了,将意味着什么?有观点认为这将意味着宇宙迎来终结。根据宇宙大爆炸模型,宇宙从138亿年前的一个奇点爆炸开始,不断地膨胀扩大,经过了138亿年的努力才形成了如今的宇宙。但科学家发现虽然宇宙还在持续膨胀,但是它的膨胀速度在不断减慢,这说明宇宙中的分子运动整体也在减慢。

众所周知,要让一壶冷水烧开,需要持续给它加热。等到冷水烧开后,停止给它加热,沸水很快又恢复平静,并随着时间的推移逐渐冷却。同样的道理,宇宙诞生于一次特殊的奇点爆炸,这一次爆炸使得宇宙获得了无穷的能量得以向外膨胀。但这样的爆炸只发生了一次,宇宙如果想要一直膨胀下去,就必须有持续的能量源为其供能。

目前科学家还未在宇宙中发现这类能量源,也就是说宇宙最终也可能有停止的那一刻。因此有科学家推测,绝对零度或许就是宇宙发展的尽头。如果科学家的推测符合实际情况,那这也可以解释为什么人类一直创造不出绝对零度。因为人类的能力还无法阻碍宇宙的发展趋势,我们只能窥探宇宙发展的背后原因。

总而言之,人类在宇宙面前还是无比渺小,或许我们能够探索到一些事物和现象的本质原因,但无法改变它们的发展轨迹。就像我们知道温度的本质,但却无法创造出最低的温度。

为何世间万物都会走向寂灭,宇宙的终点又是什么?

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