溫度的定義是延續(xù)了經(jīng)典物理的概念(更確切的說是經(jīng)典的熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理)。溫度定義為系統(tǒng)中粒子(包括分子,原子,電子等等)熱運(yùn)動的大小,更確切的說是系統(tǒng)中粒子動能的大小。宇宙中最高的溫度是普朗克溫度,也就是1.4億億億億攝氏度。宇宙中最低溫度是逼近絕對零度,也就是逼近-273.15℃。 因?yàn)橛钪嬖?jīng)達(dá)到過最高的普朗克溫度,而沒有達(dá)到過最低的絕對零度。宇宙大爆炸得第一個瞬間的溫度就是普朗克溫度。 按照麥克斯韋-玻爾茲曼分布。我們已經(jīng)知道溫度的本質(zhì)就是微觀粒子運(yùn)動程度的體現(xiàn)。微觀粒子運(yùn)動越劇烈,其在宏觀上的表現(xiàn)就是溫度越高。 比如,為什么開水會讓你的手感到很燙?那是因?yàn)殚_水內(nèi)的水分子劇烈運(yùn)動,當(dāng)你的手觸碰到這些劇烈運(yùn)動的水分子后,就會吸收它們的動能。導(dǎo)致手中的分子運(yùn)動程度增大,并且刺激到神經(jīng),并感受到了燙。 那么最低溫度在理論上就是把微觀粒子的運(yùn)動程度降到最低。理論上最低的溫度就是沒有物質(zhì)運(yùn)動,沒有輻射的地方,這就是理論上的絕對零度。不過宇宙中不存在這樣的地方。宇宙空間本來就充滿著各種電磁波,即便再黑暗的地方,或多或少還是殘留著電磁波的。電磁波就具有能量,這些能量就是溫度的體現(xiàn)。如果宇宙中存在某一空間,并且完全真空,不存在任何光子。那么這一空間的溫度就是絕對零度嗎? 任何空間或系統(tǒng),總是存在各種各樣的能量和熱量,他們相互轉(zhuǎn)化而且永不消逝。除非某個系統(tǒng)或空間從一開始就沒有任何形式的能量和熱量。這樣的系統(tǒng)顯然是不存在的。所以實(shí)際上,真實(shí)世界的最低溫度只能無限逼近絕對零度,而不能達(dá)到這一數(shù)值。 雖然絕對零度不能達(dá)到,科學(xué)家還是可以通過技術(shù)手段去接近這個溫度點(diǎn)。主要技術(shù)手段有激光制冷和傳統(tǒng)的蒸發(fā)制冷。既然溫度是粒子運(yùn)動快慢的反應(yīng),那么當(dāng)粒子運(yùn)動速度接近為零的時候,溫度就對應(yīng)著最低?;谶@種樸素的想法,激光冷原子技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。用多束激光去反方向轟擊單個粒子使其減速為零(當(dāng)然,只能接近零),這樣整個系統(tǒng)的溫度就接近絕對零度了。 人們征服低溫的過程中發(fā)現(xiàn)了很多有意思的事情。最直觀的就是各種氣體的液化和固化。此外還有低溫超導(dǎo)現(xiàn)象,磁有序現(xiàn)象。因?yàn)楹芏嘣踊螂x子都帶有磁性,在構(gòu)成晶體的時候,由于高溫的熱擾動,使得這些磁矩像氣體一樣隨機(jī)排列。當(dāng)溫度降低到某個特定值的時候,這些磁矩就會像原子組成晶體一樣有序的排列起來。大部分磁性材料的磁有序都是在低于室溫的時候出現(xiàn)的。 |
|