-273.15℃有何特殊意義?為何宇宙最低溫度會被限制為-273.15℃

天空之城 2022/07/31 檢舉 我要評論

如果有人問起,宇宙最低溫度是多少?相信大家都可以給出答案:-273.15℃,但如果被追問,這個有零有整的-273.15℃,它到底有何特殊意義?為何宇宙最低溫度會被限制為-273.15℃呢?可能就有人回答不上來了,回答不上沒關系,下面我們就來聊一下這方面的知識。

溫度是一種用來表示物體冷熱程度的物理量,想要討論溫度,首先就得給溫度定義一個計量單位,怎麼定義呢?

我們知道,在1個標準大氣壓下,水的冰點和沸點都是固定的,這顯然可以當作一個非常好的參考。

所以1742年的時候,瑞典物理學家安德斯·攝爾修斯(Anders Celsius)提出,在1標準大氣壓下,沸水的溫度可以記為0度,而冰水的溫度可以記為100度,這兩者之間可以分為100等分,每一等分就是1度,而這就是我們常用的溫度計量單位——攝氏度(℃)的由來。

(安德斯·攝爾修斯)

看到這里你肯定要問了,這是不是搞反了,難道不是冰水的溫度是0度,沸水的溫度是100度嗎?其實并沒有搞反,攝爾修斯當時提出這種定義,是為了避免在測量溫度時因為低于水的冰點而出現負數。

后來人們覺得這種定義很不方便,畢竟從直覺上來看,數值越大,溫度就應該越高,另一方面來講,比沸水更高的溫度也是存在的,出現負數依然不可避免,于是人們干脆就將這種定義反過來了,并一直沿用至今。

早在16世紀,著名物理學家伽利略就發現了氣體的熱脹冷縮現象,而有了「攝氏度」的定義以及精確測量溫度的技術之后,人們就可以更深入地研究溫度對氣體體積的影響。

在1787年的時候,法國物理學家雅克·查爾斯(Jacques Charles)對多種氣體進行了實驗,他的實驗結果表明,在壓強不變的情況下,這些氣體的溫度每升高1℃,體積的增加量總是一個固定的值,大概是其在0℃時體積的273分之1。

(雅克·查爾斯)

意思就是說,假設一團氣體在溫度為0℃的時候的體積為1立方米,那麼當溫度提升到1℃的時候,其體積就會增加大約0.00366立方米(其在0℃時體積的273分之1),也就是1.00366立方米,提升到2℃的時候,其體積又會增加0.00366立方米,也就是1.00732立方米,接下來也是這樣累加,比如說溫度提升到100℃的時候,這團氣體的體積就增加到了1.366立方米。

1802年,英國物理學家蓋-呂薩克(Gay-Lussac)據此提出了「查爾斯定律 」(也稱「蓋-呂薩克定律」),該定律指出,在恒定壓力下,理想氣體的體積與其溫度成正比,而雅克·查爾斯測量出的「273分之1」,則被當作壓力不變時氣體的體積膨脹系數。

(蓋-呂薩克)

到了19世紀中葉,人類的測量技術得到了較大的進步,科學家在實驗室中將這個膨脹系數精度提升到了273.15分之1。

想象一下,既然在恒定壓力下,一團氣體的溫度每升高1℃,其體積的增加量總是其在0℃時體積的273.15分之1,那這團氣體的溫度每降低1℃,其體積的減少量就同樣也是其在0℃時體積的273.15分之1。

簡單計算后就可以得出,對于一團初始溫度為0℃的氣體來講,當溫度降低至-273.15℃的時候,這團氣體的體積就為零(前提是壓力是恒定的)。顯而易見的是,一團體積為零的氣體是不可能存在的,而這也就意味著,-273.15℃是不可能達到的。

由此可見,-273.15℃這個有零有整的溫度值的特殊意義就在于,它是科學家通過理論和實驗計算出來的宇宙溫度在理論上的下限值。

(開爾文勛爵)

1848年,被譽為「熱力學之父」開爾文勛爵在其論文《關于一種絕對溫標》中,提出了一種與測溫物質的屬性無關的純理論上的溫標,將這種「絕對溫標」將理論上的溫度下限值,也就是-273.15℃設為「絕對零度」,并以攝氏度作為其單位增量。

是的,這種溫標也就是后來的熱力學溫標,其單位為K(開爾文),根據定義,1K的溫度變化與1℃相等,只是兩者的計算起點不同而已,兩者可以簡單地用「K = ℃ + 273.15」來進行換算,比如說1℃,就相當于274.15K。

在接下來的時間里,隨著科學的進步,人們也清楚了宇宙中溫度的本質,其實就是物體內部微觀粒子熱運動的激烈程度,所以「絕對零度」對應的溫度當然就是「物體內部微觀粒子的熱運動的激烈程度為零」。

用大白話講就是,如果一個物體內部所有的微觀粒子都完全靜止不動了,那麼這個物體的溫度就是「絕對零度」,也就是-273.15℃。顯而易見的是,這樣的情況并不會發生,因為在我們所在的宇宙中,根本就找不到完全靜止不動的微觀粒子。

另一方面來講,根據量子力學中的「不確定性原理」,宇宙中基本粒子的位置和動量不可能同時精確地確定,而假如一個物體真的達到了-273.15℃,就意味著基本粒子的位置和動量可以同時精確地確定,這就違反了量子力學,所以這個溫度也是不可能達到的。

綜上所述,-273.15℃其實是科學家們根據宇宙中的實際情況定義出的溫度下限值,而這就是宇宙最低溫度被限制為-273.15℃的原因,從理論上來講,宇宙中任何物質的溫度最多也就只能無限地接近這個溫度,卻不可能達到或者低于這個溫度。

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