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1.4億億億億℃是什麼概念?你對溫度和熱的理解是不是有誤會?

炎熱的夏天已經過去,秋風蕭瑟的天氣即將到來,但相信大家對溫度高就很熱的這個理解是不會錯的,夏天40度的高溫下,那是汗如雨下啊;當然冬天零下十幾度,那絕對是滴水成冰!難道錯了嗎?

理解確實沒錯,但在地球的大氣層分層中,大約是80千米到500千米的範圍,有一個溫度高達1000~2000℃的熱層,但在這裡,那絕對是九天嚴寒啊,為什麼會這樣呢?

熱層溫度那麼高,為什麼還那麼冷?

熱層的溫度確實很高,但毫無疑問也很冷,為什麼會這樣呢?大氣層中的熱層已經進入准真空的範圍,比如過了100千米的卡門線就是太空了,太空寒冷不?當然很寒冷!但下文我們介紹了溫度的準確定義後,太空就不能用寒冷來定義了!

准太空的大氣非常稀薄,120千米以上的區域,空氣稀薄到聲波無法傳遞,到270千米時,空氣密度只有地面的百億分之一,300千米以上時就到了千億分之一!

其實說到這裡我們也明白了,在這個案例上,溫度需要大量大氣分子作為媒介,我們才能切切實實的感受到溫度,當大氣太稀薄時即使這些大氣分子已經被太陽的高能粒子撞擊、溫度很高,但它們的總能量很低,我們仍然無法感受到。

溫度的本質:微觀粒子的運動

上文中似乎就有那麼點意思,但還不夠直白,其實溫度的本質就是微觀粒子的熱運動所致!幾百年前科學家從燃素說到熱質說再到分子熱運動,然後再到愛因斯坦發表布朗運動的論文,溫度的本質就是微觀粒子的運動才被廣泛接受!

布朗運動

理論上的太空就是沒有任何粒子的空間,它也就不存在所謂的微觀粒子,因此在這一片空間中根本就不能以所謂的溫度來形容,因為它根本就存在所謂的溫度,那麼太空為什麼會那麼冷呢?很簡單,儘管是真空,如果沒有外界能量補充的話,物體仍然會以輻射的方式散失自身的熱量,最終和宇宙微波背景輻射相一致!

宇宙微波背景輻射又是多少「溫度」呢?2.725K,比絕對零度高一丟丟,也就是-270.425℃,簡單的說,丟在宇宙中的物體,它會逐漸達到和宇宙背景溫度一致,當然太陽系中的物體是不會的,因為有太陽輻射嘛,但離太陽越遠,溫度也就越低!

上文中我們要補充一下,量子力學中的真空可不是空無一物,因為量子論認為,真空中也會產生正反粒子對,但又會瞬間湮滅是遵守能量守恆,所以挑刺的朋友就別較真了!

宇宙中達到過一次最高溫度,但卻永遠都無法達到最低溫度!

溫度的本質就是微觀粒子的運動,那麼當粒子不運動時不就是最低溫度了嗎?確實是這樣,因為上文中的絕對零度就是這樣算出來的,所以絕對零度有一個我們理解的值,用攝氏計就是?273.15℃,如果用K就是0K!

似乎聽上去很簡單,不要動就是絕對零度,那為什麼夏天在太陽下我一動都不動,還那麼熱呢?當然這個不動指的是宏觀不動,你身體內的微觀粒子仍然在高速運動,所以這個方法是不靈光的,要讓你感覺涼快,必須用空調用製冷劑循環的方式,將室內的熱量轉移到室外!

當然再厲害的空調也不能通過這種循環降低到絕對零度,最接近的方式是激光多普勒製冷,讓原子的振動幅度達到最小(不能停止),國際空間站上的冷原子實驗用的就是這個原理,據說達到了20萬億分之一K,也就是只比絕對零度高那麼一丟丟丟丟........

即使到未來宇宙的末日,也就是熱寂狀態,仍然不能達到絕對零度,因為微觀粒子的量子力學運動是無法避免的,所以它總是有那麼一丟丟溫度。

宇宙中的最高溫度又是怎麼樣的呢?

粒子靜止就是最低溫度,那麼粒子運動速度最高自然就是最高溫度了,那麼粒子運動的最高速是多少呢?當然是光速了,當運動粒子運動速度達到光速時計算踹的溫度就是宇宙最高溫度,也叫做普朗克溫度。

溫度是多少度呢?1.4億億億億℃,也就是宇宙大爆炸時達到的溫度1.4×10^32K!此時宇宙中所有的物質都在奇點,粒子運動速度已經達到了最高,但就在那個虛數時間後,宇宙大爆炸開始了,此後宇宙再也沒有達到過這個溫度,除非它重新開始坍縮,不過最近的諾獎大神彭羅斯可是支持宇宙循環說的,也就是說宇宙未來會重新坍縮,然後再爆炸一次!

大爆炸發生後,宇宙膨脹,溫度降低,到10^-36S時,宇宙溫度降低到了10^28K,強力從電弱中分離!當時間走到大約10^-12S時,溫度大約下降到了2萬億攝氏度,此時的宇宙就是一鍋夸克膠子的等離子「濃湯」,溫度繼續降低,夸克就會和膠子一起構成重子(包括中子和質子),此時時間已經到了10^-6S!

然後宇宙繼續膨脹,質子和中子聚合變成氕氘和氦以及鋰,原初物質丰度就是這樣來的,但此時宇宙中溫度仍然高達十億K,仍然充斥著等離子體,一直要到38萬年後,溫度才下降到數千度,此時光子才脫離束縛,在宇宙中狂奔,所以這就是我們看到的宇宙微波背景輻射!

1.4億億億億℃是什麼概念?反正就是是很燙很燙很燙........

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