在我们的直觉里,温度似乎可以无限低、也能无限高,就像一条只有零点、没有尽头的数轴。但在现实世界中,物质的温度实际上存在极限,不可能无限大,也不可能无限小,已经被宇宙底层物理规则锁死了!

根据现有理论,宇宙存在一个被称之为“绝对零度”的温度下限,即零下273.15摄氏度;同时还存在一个被称之为“普朗克温度”的上限,1.4亿亿亿亿摄氏度。并且这两个极限在现实世界中都是不可达的,是仅存在于物理理论中的极限温度。

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要想弄明白为何会存在这一温度限制?为何对于人类的体验来说,宇宙中的最高温与最低温数值相差如此之大,大到远超人类的想象?就必须要先弄明白温度的本质。

事实上,温度这一概念是人类为了理解冷和热的具体差异所人为定义的,本质上描述的是微观粒子热运动的剧烈程度,其高低取决于粒子的平均动能。正是这种定义,导致在某些粒子密度极低的环境下,温度明明高达几十上百万摄氏度,可实际体验却并不是太热。

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知道了温度的本质,那么温度的极限是怎么来的,也便清晰了!

如果物质的所有粒子热运动完全停止,不再有任何振动、转动、平动,那温度就跌到了尽头,这就是绝对零度的来源。在热力学温标中,这一最低温度被定义为0开尔文,对应摄氏温标下的零下273.15摄氏度。

不过,因客观世界中不存在绝对静止、只存在相对静止,并且根据量子力学,即便到了绝对零度,粒子也无法完全静止,仍存在一个最低能态,所以绝对零度只存在于理论中,物体的温度只能无限接近而永远不可能达到这一最低温。这一宇宙中的根本规则被称之为绝对零度定律,即热力学第三定律,人类是无法打破的。

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宇宙存在一个最高温,也是类似的道理。温度的高低取决于粒子的平均动能。根据物理理论,粒子的能量越高、波长越短,若波长短至普朗克长度(1.616×10^-35米),那么届时其能量密度就足以导致时空结构崩溃,而这一极限所对应的温度便是普朗克温度,它是现有物理框架下所能够描述的宇宙最高温,数值大约是1.4亿亿亿亿摄氏度(1.417×10^32开尔文)。部分科普内容中称“因为粒子运动速度的上限为光速,所以有最高温”,其实这并不准确,因为粒子只要速度无限接近光速,动能便能无限大,并不会被光速直接限制。

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科学家认为,这一温度上限只出现过一次,那便是宇宙大爆炸的第一个瞬间。那一瞬间虽然仅有约一个普朗克时间(5.391×10^-44秒),但却是宇宙最炽热的时刻,之后随着膨胀,温度才一路下跌。

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如果普朗克温度代表了宇宙的开端,那么绝对零度或许就代表了宇宙的终结!根据现在的宇宙演化理论,如果宇宙一直膨胀下去、能量不断被稀释,当宇宙中所有恒星熄灭、黑洞蒸发殆尽,届时整个宇宙的温度便会无限趋近于绝对零度,变成一片死寂。这一命运被称之为宇宙的热寂。

温度的上限和下限的具体数值是多少,在摄氏温标、热力学温标、华氏温标等不同温标下是不同的,取决于以什么作为零点和具体刻度划分。宇宙最高温和最低温在数值上差距如此巨大,与人类对温标中零点的定义有关,但这却并不是根本原因。

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根本原因在于目前宇宙中大部分区域的温度都接近于绝对零度,并且能量总是自发地从高温物体转移至低温物体,物体总是趋近处于低能状态,这使得现实世界中的物体的温度更趋近于绝对零度,而不是普朗克温度。因此,人类基于体验和使用需求所设定的温标零点也位于绝对零度附近或者直接采用绝对零度作为温标零点,这才使得宇宙最高温的数值大到远超人类的想象。