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温度是什么概念？在日常生活中它就是一个冷热的概念，在热力学中它表示物质的微观粒子运动剧烈程度，从量子场论的角度来理解，温度和真空涨落有关，决定了虚粒子对产生的几率......扯的太远了，我们还是来讨论热力学中的概念吧，要不然今天扯不完！ 温度是系统平均动能的体现，我们以此为基础，可以将话题展开讨论了！  分子的热运动 一、温度为什么会有一个上限？普朗克温度是怎么来的？ 宏观温度的表现就微观粒子运动的剧烈程度，本质上反映的是物质微观粒子的平均动能，根据物质粒子的热运动以及热力学定律的总动能之间的等价关系，N个微观粒子的总动能如下： 1/2Nmv^2 = 1/2NkT 将其转换为开氏温标 T=mv^2/k 其中m为质量，v为运动速度，k为玻尔兹曼常数 物体宏观温度等于微观粒子质量与运动速度的平方再除以玻尔兹曼常数。我们知道了微观粒子运动与宏观温度之间的关系之后，就可以计算物质的极限温度了！但首先我们要确定这个公式中的几个关键参数： 1、微观粒子的质量上限是多少？ 这里我们必须引入一个普朗克质量的概念，这个意思是当粒子的康普顿波长等于其史瓦希半径时的粒子质量，也就是一个微观粒子在坍缩为黑洞前的半径上限，简单的理解就是理论上会坍缩为黑洞的最小质量！ 当然目前发现的基本粒子质量都远小于普朗克质量，所以各位不必担心某个基本粒子突然坍缩为黑洞继而影响整个世界。 2、微观粒子运动速度上限是多少？ 这还要问吗？任何有静止质量的物质都不可能达到光速，所以微观粒子的运动速度上限就是光速。 这个理论温度的上限就是当普朗克质量的基本粒子在以光速热运动时，所表现出来的宏观温度，如上图公式所示，将普朗克质量代入上述公式即可计算，各位有兴趣的话不妨试试。 根据现代宇宙大爆炸理论，在宇宙诞生的第一个普朗克时间内（时间的最小单位，5× 10^-44秒），所达到的温度，从暴涨开始后宇宙空间无限扩张，温度会一直下降...... 二、那么温度为什么会有一个下限呢？下限温度又是多少？ 我们了解了温度的由来是微观粒子的运动所致，理论上来看它不运动不就是最低温度了么？当然这样理解无比正确，我们将T=mv^2/k中的速度v=0代入公式，您可以准确无误的计算出T将等于0K，开氏温标换算成摄氏温标，这个0K为-273.15℃，我们称它为绝对零度。 上图是微观粒子运动与温度之间的关系曲线，当速度无限趋向于0，那么这个温度将会无限趋向于-273.15℃，但很可惜这只是一个理论计算值，因为我们不可能达到这个温度。 为什么我们无法到达绝对零度？ 很简单因为基本粒子的运动不会静止，根据海森堡不确定性原理，基本粒子的动量和位置是不可能同时确定的，而且两者之积必须大于等于普朗克常数的1/2，从这一点来看，基本粒子都会有一个最小的动量，所以要达到绝对零度是不可能的。  请乐乐老师原谅，用了您的素材 从上文来看，规定宇宙中最高和最低温度的不是佛祖，也不是上帝，而是基本粒子的运动。 那么我们迄今为止能达到的极限最低温度是多少呢？ 2018年5月21日，NASA将搭载了冷原子云实验（CAL）的天鹅座飞船送入了太空，准备国际空间站展开到2020年结束的冷原子云实验，目标是制造有史以来最低的温度，使用的原理就是使用激光多普勒制冷方式，使原子“停止运动”，当然原子不可能停止运动，但运动速度大幅减小，以达到变相冷冻原子的目的。 冷原子云实验达到了宇宙中最低的温度：-273.1499999999 ℃，但距离绝对零度仍然有一步之遥！ 如此极低温能干嘛？ 物质第五态：玻色-爱因斯坦凝聚态将在如此低温下诞生，这是聚集在一起形态犹如一个“宏原子”奇特状态，与费米子凝聚态刚好相反（费米子凝聚态也聚集在一起，但每一个占据的能态都不一样）。因为玻色-爱因斯坦凝聚态能实现在两团冷原子云之间的纠缠，这可能是未来大规模量子计算机的基础。 国际空间站的冷原子云实验将延续到2020年，未来会有什么样的科学发现，我们拭目以待。 |
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