【原】為什么宇宙中最高溫度有個上限，最低溫度也有個下限，誰規(guī)定的？

星辰大海種花家 2019-09-02

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溫度是什么概念？在日常生活中它就是一個冷熱的概念，在熱力學(xué)中它表示物質(zhì)的微觀粒子運(yùn)動劇烈程度，從量子場論的角度來理解，溫度和真空漲落有關(guān)，決定了虛粒子對產(chǎn)生的幾率......扯的太遠(yuǎn)了，我們還是來討論熱力學(xué)中的概念吧，要不然今天扯不完！

溫度是系統(tǒng)平均動能的體現(xiàn)，我們以此為基礎(chǔ)，可以將話題展開討論了！

分子的熱運(yùn)動

一、溫度為什么會有一個上限？普朗克溫度是怎么來的？

宏觀溫度的表現(xiàn)就微觀粒子運(yùn)動的劇烈程度，本質(zhì)上反映的是物質(zhì)微觀粒子的平均動能，根據(jù)物質(zhì)粒子的熱運(yùn)動以及熱力學(xué)定律的總動能之間的等價關(guān)系，N個微觀粒子的總動能如下：

1/2Nmv^2 = 1/2NkT

將其轉(zhuǎn)換為開氏溫標(biāo)

T=mv^2/k

其中m為質(zhì)量，v為運(yùn)動速度，k為玻爾茲曼常數(shù)

物體宏觀溫度等于微觀粒子質(zhì)量與運(yùn)動速度的平方再除以玻爾茲曼常數(shù)。我們知道了微觀粒子運(yùn)動與宏觀溫度之間的關(guān)系之后，就可以計算物質(zhì)的極限溫度了！但首先我們要確定這個公式中的幾個關(guān)鍵參數(shù)：

1、微觀粒子的質(zhì)量上限是多少？

這里我們必須引入一個普朗克質(zhì)量的概念，這個意思是當(dāng)粒子的康普頓波長等于其史瓦希半徑時的粒子質(zhì)量，也就是一個微觀粒子在坍縮為黑洞前的半徑上限，簡單的理解就是理論上會坍縮為黑洞的最小質(zhì)量！

當(dāng)然目前發(fā)現(xiàn)的基本粒子質(zhì)量都遠(yuǎn)小于普朗克質(zhì)量，所以各位不必?fù)?dān)心某個基本粒子突然坍縮為黑洞繼而影響整個世界。

2、微觀粒子運(yùn)動速度上限是多少？

這還要問嗎？任何有靜止質(zhì)量的物質(zhì)都不可能達(dá)到光速，所以微觀粒子的運(yùn)動速度上限就是光速。

這個理論溫度的上限就是當(dāng)普朗克質(zhì)量的基本粒子在以光速熱運(yùn)動時，所表現(xiàn)出來的宏觀溫度，如上圖公式所示，將普朗克質(zhì)量代入上述公式即可計算，各位有興趣的話不妨試試。

根據(jù)現(xiàn)代宇宙大爆炸理論，在宇宙誕生的第一個普朗克時間內(nèi)（時間的最小單位，5× 10^-44秒），所達(dá)到的溫度，從暴漲開始后宇宙空間無限擴(kuò)張，溫度會一直下降......

二、那么溫度為什么會有一個下限呢？下限溫度又是多少？

我們了解了溫度的由來是微觀粒子的運(yùn)動所致，理論上來看它不運(yùn)動不就是最低溫度了么？當(dāng)然這樣理解無比正確，我們將T=mv^2/k中的速度v=0代入公式，您可以準(zhǔn)確無誤的計算出T將等于0K，開氏溫標(biāo)換算成攝氏溫標(biāo)，這個0K為-273.15℃，我們稱它為絕對零度。

上圖是微觀粒子運(yùn)動與溫度之間的關(guān)系曲線，當(dāng)速度無限趨向于0，那么這個溫度將會無限趨向于-273.15℃，但很可惜這只是一個理論計算值，因為我們不可能達(dá)到這個溫度。

為什么我們無法到達(dá)絕對零度？

很簡單因為基本粒子的運(yùn)動不會靜止，根據(jù)海森堡不確定性原理，基本粒子的動量和位置是不可能同時確定的，而且兩者之積必須大于等于普朗克常數(shù)的1/2，從這一點來看，基本粒子都會有一個最小的動量，所以要達(dá)到絕對零度是不可能的。

請樂樂老師原諒，用了您的素材

從上文來看，規(guī)定宇宙中最高和最低溫度的不是佛祖，也不是上帝，而是基本粒子的運(yùn)動。

那么我們迄今為止能達(dá)到的極限最低溫度是多少呢？

2018年5月21日，NASA將搭載了冷原子云實驗（CAL）的天鵝座飛船送入了太空，準(zhǔn)備國際空間站展開到2020年結(jié)束的冷原子云實驗，目標(biāo)是制造有史以來最低的溫度，使用的原理就是使用激光多普勒制冷方式，使原子“停止運(yùn)動”，當(dāng)然原子不可能停止運(yùn)動，但運(yùn)動速度大幅減小，以達(dá)到變相冷凍原子的目的。

冷原子云實驗達(dá)到了宇宙中最低的溫度：-273.1499999999 ℃，但距離絕對零度仍然有一步之遙！

如此極低溫能干嘛？

物質(zhì)第五態(tài)：玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)將在如此低溫下誕生，這是聚集在一起形態(tài)猶如一個“宏原子”奇特狀態(tài)，與費(fèi)米子凝聚態(tài)剛好相反（費(fèi)米子凝聚態(tài)也聚集在一起，但每一個占據(jù)的能態(tài)都不一樣）。因為玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)能實現(xiàn)在兩團(tuán)冷原子云之間的糾纏，這可能是未來大規(guī)模量子計算機(jī)的基礎(chǔ)。