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零下273.15度的绝对零度有多可怕?时间和空间的意义都将消失!

科学 火星一号

零下273.15度的绝对零度有多可怕?时间和空间的意义都将消失!

在地球上,人类曾经在南极记录到了最低的自然温度,达到了零下89.2摄氏度(-89.2 ℃)。不过,人类可以制造出比这更低的温度。以常见的液氮为例,其温度仅为-196 ℃,氮分子在这种低温下呈现为液态。液氢是火箭常用的一种燃料,其温度更是低至-253 ℃。

那么,温度最低可以冷到什么程度呢?

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物质是由各种粒子构成的,粒子的永不停歇热运动给予了物质温度。因此,粒子的动能越大,它们所组成物体的温度也就会越高。虽然粒子的最快速度是有限的光速,但由于相对论效应,粒子的动能可以是无限的,所以温度可以无限升高。

不过,目前的物理学所能描述的最高温度是普朗克温度,其大小约为1.42×10^32度,这个温度只在138亿年前宇宙大爆炸的一瞬间达到过。对于普朗克温度以上的状态,现代物理学还无法描述,只能等待未来量子力学的创立。

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另一方面,如果要让温度变得足够低,就要让粒子的动能变得足够小。那么,粒子的动能最小是多少呢?

显然,当粒子不再运动时,动能为零时是最小值。此时,温度也会降到最低,对应的温度被称为绝对零度,其大小为-273.15 ℃(或者0 K),这是根据实验结合理论推导出来的结果。正因为如此,温度不会无限降低,绝对零度是温度的下限。

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宇宙在最初时刻达到过普朗克温度,但绝对零度无论如何都达不到。经过138亿年的膨胀冷却,目前整个宇宙的平均温度为-270.42 ℃(宇宙微波背景辐射的温度),仍然比绝对零度高了2.73度。

目前已知最接近绝对零度的温度是在实验室中实现的,物理学家把一块金属铑冷却到了-273.1499999999 ℃,但仍然高出绝对零度0.0000000001度,就是无法达到绝对零度。

那么,为什么温度不能冷却到绝对零度?

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爱因斯坦的相对论表明,宇宙中不存在绝对静止的参照系,任何物体都存在某种运动,静止只是相对的。另一方面,量子力学表明,粒子不会停止运动,否则它们的位置和动量就能同时被精确测量出来,从而违背不确定性原理。因此,粒子的动能始终大于零,温度始终会高于绝对零度。

如果宇宙达到绝对零度又会怎样?

首先,当温度达到绝对零度时,现代物理学的两大基石——相对论和量子力学都会崩溃,这与超过普朗克温度的情况一样。不仅如此,就连时间和空间的意义都会消失。

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在绝对零度的宇宙中,一切能量都会完全耗尽,空间中没有任何能量,宇宙不再发生任何变化,时间完全停止,或者说时间变得没有意义。那么,宇宙真的会耗尽所有能量吗?

热力学第二定律,即熵增原理表明,宇宙最终确实会耗尽能量,但不是所有能量,而是有用能量,它们都转变成热能。到了那时,宇宙将保持最低但非零的能量状态,温度最终达到了热平衡,但不是绝对零度。

宇宙将会停止运转,这就是宇宙的一种可能结局——热寂。如果质子衰变真的出现,那么,经过10^100年后,宇宙将会迎来这样的结局。当然,对于人类乃至宇宙而言,这个时间是在十分久远的未来。

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