零下273.15摄氏度有多可怕?光被冻结,宇宙变得漆黑一片

数学世界中存在无限大和无限小的概念,然而客观世界中的绝大多数物理指标都存在极限。以温度为例,温度就存在上限和下限。

温度的上限是普朗克温度,数值约为1.4×10^32 摄氏度,这一温度只存在于宇宙诞生的第一瞬间。在日常生活中,几千摄氏度就已经算非常高的温度了,普朗克温度绝对是宇宙中曾经存在过的最高温度了。需要注意,这一温度是理论推导出来的。

至于温度的下限,则是绝对零度,数值为零下273.15摄氏度。这是宇宙中理论上最低的温度了。地球平均气温15摄氏度,而最冷的地方在南极,那里有记载以来曾经达到过零下90摄氏度,绝对零度也仅比这个低了约180摄氏度。

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不过如此低的温度在宇宙中却很稀松平常,因为宇宙的平均温度为零下270.42摄氏度,仅比绝对零度高了2.73摄氏度。

可不要小看这一两百度的差异,当温度接近或者达到绝对零度时,会发生很多平时看都看不到的奇异现象。比如某些物质的温度接近这个温度时,会呈现出超流动性、超导性等特性。

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零下273.15摄氏度,这不是直接测量出来的,而是推导出来的。科学家们最早是通过热力学中的盖-吕萨克定律推出的。对于理想气体,当气压恒定,降低温度,其体积便会随着温度的变化线性缩小。只需测得一定温度范围内体积随温度变化的规律,并延伸至体积为零时的情况,就能推导出宇宙中最低温度的理论数值。

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从宏观上来说,温度是表示物体冷热程度的物理量。而从微观角度来说,物体的冷热程度表现为组成物体的各种大量粒子(比如分子、原子等)的热运动的激烈程度。系统中的粒子运动越激烈,温度也就越高。温度具有统计意义,是大量粒子热运动过程中平均动能的体现,因此对于个别粒子,温度是没有意义的。

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所谓热运动,就是构成物体的粒子在永不停息地做无规则运动。宇宙中的一切物体都在运动,运动是绝对的,而静止却是相对的。由于粒子的热运动不可能完全停止,所以在客观世界中零下273.15摄氏度是永远也不可能达到的。这一结论在热力学中被称作热力学第三定律。

在某些比较高端的实验室中,科学家能够利用激光、磁场等辅助手段,实现纳开(0.000000001开)量级的温度,也就是零下273.149999999摄氏度。

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假设温度达到了零下273.15摄氏度,会发生什么呢?

根据热力学的观点,如果温度真达到绝对零度,那构成物体的粒子必然处于绝对静止状态,粒子动能将为0。曾经科学家们也普遍这样认为,直到量子力学的出现。

根据量子力学的观点,当物体处于绝对零度状态时,其内部的粒子动能并非为0,而是处于量子体系中的最低能量状态,这些粒子仍将保持整个体系中最低能量级别的运动状态,并非处于绝对静止状态。不过从宏观角度来看,物体应该已经很接近绝对静止状态了。

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通常任何温度高于绝对零度的物体都会不断地向外辐射电磁波。若是物体的温度达到了绝对零度,由于整个体系中的粒子处于最低能量状态,那这些粒子将不会辐射电磁波或者光子,通俗点来说就是连光子也被冻结了。

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如果整个宇宙的温度达到了绝对零度,那么世界将变得一片漆黑。现在整个宇宙的平均温度只差2开多,就接近绝对零度了。如果你到达外太空,并且远离太阳,你会发现整个宇宙都是漆黑一片,只剩星光。随着宇宙的加速膨胀,未来宇宙的温度只会离绝对零度越来越近,整个宇宙空间也将会变得更加黑暗。

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真到了这一步,一切都会陷于冷寂,整个时空中的万物只会存在极其微弱的运动变化,那时时间和空间也就没有了存在的意义,万物将会归于虚无。

说个题外话。有些人可能会问,为什么这个最低温度是零下273.15摄氏度,而不是0摄氏度?

其实这与温标的设定有关。摄氏温标是以标准大气压下冰水混合物的温度为基点,并不是以最低温度为温标。如果采用热力学温标,温度的数值就不可能为负。因为热力学温标是以理论上的最低温度“绝对零度”为基点的。在热力学温标中,标准大气压下冰水混合物的温度就为273.15开。

关于作者: 科学探索菌

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