為什麼速度有上限(光速),溫度有下限(絕對零度)?

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因為我們生活在一個有限的宇宙中。

有限的宇宙中容納不了無限之物或者無限之屬性,無論是哪一種屬性,都不可能是負無窮到正無窮,任何一種物理屬性,速度、溫度、質量、體積、密度等,只要能想得出來能進行測量的屬性,取值範圍都不可能是負無窮到正無窮,只能在一個有限的集合中進行取值。


所以,題主的問題可以拓展一下,溫度不僅有下限,同樣也有上限,上限就是宇宙大爆炸那個瞬間的溫度,至此之後,宇宙中不可能出現超越宇宙大爆炸那個瞬間的溫度,那就是我們這個宇宙中溫度的上限值,它大約是多少呢,經物理學家估算,大約為10^32K。

圖示:宇宙的溫度變化圖,宇宙創生的瞬間10^-43秒時,決定了我們這個宇宙溫度的上限為10^32K,超過這個溫度,等同於您就能創造一個新的宇宙。


現在,我們來說說,速度上限和絕對零度是怎麼回事兒。

先說絕對零度,這個比較簡單,就一句話。

絕對零度是粒子絕對靜止或達到量子力學最低點時的溫度,因為溫度的本質是粒子的運動,此時的溫度被標記為0K,或定義為絕對零度。

圖示:對理想氣體溫度和壓力關係的研究,推算出了絕對零度的值。


在研究超低溫世界的時候,物理學家發現了許多奇妙的物理現象,比如最著名的超導現象(電阻為零),比如超流體現象,液氦能翻越一定的障礙,自動地從高處流到低處。

圖示:液氦的超流體現象,液氦能自動從高處流到低處,這聽起來不稀奇,但稀奇的是它能翻越障礙。這就像你放在桌上杯子裡的水,自動從杯子裡流動了杯子外,不是從下面漏的而是從上面漏的。


目前超低溫物理學家達到的極限低溫是低溫實驗室在1999年達到1.0×10^-10K。但根據量子力學原理,絕對零度是可望不可即的,因為存在真空能,只要能量大於零,溫度就不可能等於0,說到最後,一切都和能量有關。


速度上限的原因,因為能量是有限的

注意,不論真空光速的具體速度是多少,有靜止質量的粒子都不可能超越真空光速,這是由愛因斯坦的狹義相對論所決定的,隨著運動粒子的速度增加,其質量不會保持不變,而是會變大,隨著速度越來越接近光速,那麼質量也就會越來越大,當速度達到光速時,質量也將達到無限大,這意味著這個運動中的粒子將擁有無限大的能量,這是荒唐的。

圖示:只有當粒子的運動速度非常非常接近光速時,其質量的變化才變得十分顯著。


因為在我們這個有限的宇宙中,容納不下一個擁有無限大質量的粒子,因為整個宇宙的全部能量在宇宙大爆炸那一刻就被決定了,它只有10^19GEV這麼多,不管這個數字有多大,它都是一個有限的數字,不是一個無限的數字。


那為什麼光子能達到真空光速呢?

因為光子並沒有靜止質量,所以光子在真空中以真空光速時,就不會擁有無限的質量和無限的能量,否則任何物體被光子一照,都將灰飛煙滅了,不僅物體灰飛煙滅,整個宇宙被這一照都要灰飛煙滅呢。但光子擁有所謂的運動質量,或者相對論質量,這個質量可以根據愛因斯坦的質能公式進行換算 E = MC^2,根據光子擁有的能量可以得到它的運動質量。



另外,關於光速還隱藏個一個更深奧但很少有人關心和意識到的一個問題:

為什麼光速(真空)大約為每秒30萬公里,而不是每秒三百萬公里又或者每秒3萬公里呢?

當然這些數字都是在現有的度量衡下得到的,而不是通過耍無賴改變每公里的長度或者改變每秒鐘的尺度來搞數字遊戲,那樣做您想得到什麼數字就能得到什麼數字。如果真空光速發生劇烈變化對於我們的宇宙意味著什麼呢?部分物理學家正在思考這個問題。


與此相關的問題是,亙古以來,宇宙中真空光速是否在發生著細微的變化,比如從前的光子比現在的光子運動得更快一點或者更慢一點?目前這個問題還沒有確切的答案。


唯一的例外大概是黑洞,據說黑洞有無限密度,但這導致了一個悖論,物理學家正在修復這個悖論,最終的結果很可能是黑洞也不能擁有任意一項無限的屬性,比如密度。

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速度理論上其實是沒有上限的,在相對論中,只是說光速恆定以及無法將一個低於光速的物體加速到光速。人們通過對狹義相對論的進一步研究發現,速度原本就超過光速的快子的存在並不違背狹義相對論,但到目前人們對快子的特性並不清楚,也不知道為什麼不能發現快子。

而至於為什麼溫度有上限就要通過了解溫度是怎麼來的。

首先,溫度的定義是怎麼來的?


人類對於溫度的研究,基本思路就是先定性再定量。對於溫度的研究源於人類的感知,就是這個東西我能摸出來,它是比較冷還是熱,這個我們能感受得出的,這叫定性。那它到底有多熱呢?也就是想個辦法去定量,所以溫度計就出現了。早期的溫度計不管是酒精的還是水銀的,它們的原理都是通過熱脹冷縮。不同溫度下水銀或者酒精膨脹的高度不一樣,那妥了,定量的手段有了。那具體怎麼定量呢?我就選兩個不同溫度的物體給它定上數,然後中間再等分,這樣我不就可以向外拓展了嘛就?比如說1742年瑞典的天文學家攝爾修斯把水的沸點溫度定義為0冰點定義為100.你會問,是反了嗎?最早確實就是這麼定義的,因為瑞典這個地方不能說它偏冷,反正平均氣溫就是0度左右,所以把水的沸點定義為0,冰點定義為100,就可以避免大部分天氣的溫度出現負數。後來有一老哥叫卡爾·林奈植物學家他說負數就負數吧,但是按照常理來講應該是數越大溫度越高,這樣比較符合直觀感受,所以就改成了現行的攝氏溫標,也就是我們現在說的攝氏度。我們為什麼要定量呢?定量只是研究的手段,定量是為了研究你之前定的那個性,就是回過頭來再去研究性質,然後去尋找某種因果關係。說的高大上點這就是科學方法論,這也是科學和不科學之間最大的區別。

溫度的性質是怎樣的?

溫度的標準制定完了,開始研究溫度的性質了。兩個問題,第一個問題同種物質它的溫度變化和什麼有關暱?就是哪些參數能夠影響它的溫度。第二個問題,溫度的本質是什麼?為什麼同一個物體的溫度會變化啊?到底是哪變了呢?其實你會發現這兩個問題本質上是一個問題,對於第一個問題的研究早在17世紀人們就有所發現了,那時候熱力學可還都沒建立呢,正處於萌芽時期,最早是法國物理學家阿萊頓(1663年8月31日-1705年100)他發現空氣的壓強變化與溫度變化似乎是成正比的,多次測量後,在一大堆數字中最終發現溫度降低等量份額氣壓也會降低等量份額。這件事有意思啊,那順著這個思路去想,溫度降低氣壓也會降低,那溫度能不能降低到一個極限呢?能最多就降到氣壓趨近於0唄,所以這個時候人們就發現了溫度很可能是有下限的,後來一個世紀之後法國兩位物理學家查理還有蓋一呂薩克,這二位建立了嚴格的氣體定律,說氣體的溫度和什麼有關呢?和壓強還有體積。壓力恆定時,一定量氣體的體積與其溫度T成正比,這就是總結出來的結果,當時的實驗是這樣的:1787年查理做了個實驗,把提純之後的氧氣、氮氣二氧化碳等氣體從0度加熱到100度,然後住儘量保持壓強不變的情況下,看它們體積的變化,首先查理髮現隨著溫度的變化,氣體體積的膨脹速率一定。其次,查理還發現任意氣體從0度到100度,壓強不變的情況下它的體積會增加,根據實驗的數據就可以得到氣體壓縮係數,就是溫度沒變化一度體積變化多少。根據實驗數據可以算得如果現在某個氣體溫度是0攝氏度,理論上我要是把它降低到零下273度,它的體積就會變成0!當然具體273這個數值取決於你測算壓縮係數的精度,現在我們用的1273.15這個數值是到了1847年法國物理學家勒尼奧他測算出來的,也就是說溫度確實存在下限,在攝氏溫標當中就是零下273.15攝氏度,後來開爾文就說,那我也來建立一個溫標吧,就從這個最低溫度開始定義為0,開氏溫標最大的好處就是沒有負數,這就是開氏溫標的由來。它不是隨便選了一個273.15,是先算出來這個數,開爾文的意思就是我不管這個數具體等於多少,之後隨便測算的精度有沒有變化,反正我要把溫度的下限定義為0,這樣沒有負數,好計算,所以開氏溫標對於科學研究比較友好,但是生活當中,如果用開氏溫標就不友好了,用攝氏溫標在生活中一般都是50以內加減法,很好算,如果用開氏溫標那就是500以內加減法,然後還帶小數點不方便,不過本質上是一樣的就是了,零點選擇不同而已。



而且這個溫度的下限它還只能接近,不能達到

人們在實驗中發現一個問題,氣體溫度不可能降低到0下273.15攝氏度,因為體積會變成0,這是不可能的人們發現這也確實不可能,就是某個氣體溫度降著降著就變成液體了,液體就不符合氣體定律,那你這個絕對零度到底準不準啊?這個問題的解決是又過了半個多世紀,直到了1906年德國物理學家化學家能斯,他提出了能斯待定理,就是現在總結出來的熱力學第三定律:不可能通過有限循環過程,使物體的溫度降低到絕對零度。其實能斯特定理沒這麼簡單,它是首先肯定了絕對零度是存在的,然後說這個絕對零度你還到。至此我們對於絕對零度才算是有了一個比較清晰的定義,不過咱們前而說的都屬於是宏觀層面。對於第二個問題就是熱的本質是什麼?還要等到熱力學微觀理論的建立也就是氣體動理論。根據動理論說熱的本質是物質分子劇烈運動的程度,分子運動的越劇烈溫度就越高,其實動理論也有過對手,就像是人們研究光兩套理論波動說和微粒說一樣,最後打了個平手。對於熱也有兩套理論,一個是動理論,一個是熱質說,後釆熱質說就被徹底打敗了,最早觸碰到動理論的人就是大名鼎鼎的歐拉,歐拉在1729年就是22歲的時候,把空氣分子看成是一個個理想球體,然後估算出了常溫下空氣分子的平均運動速率,歐拉說大概是477米秒,已經很接近了按照現在的理論,大概是460米每秒左右。空氣分子運動的還是很劇烈的,按照這個理論我就更容易理解絕對零度了溫度為什麼會存在下限呢?就是當所有分子全部靜止的時候,就是它的溫度下限不,可能比這個再低了.在微觀層面我們也更容易理解為什麼絕對零度永遠不能到達,因為存在量子漲落,就是說微觀粒子的動量和位置你不可能同時確定,這就意味著微觀粒子永遠停不下來,要是停下來動量和位置你就都知道了.所以不可能把一個系統的溫度降低到絕對零度,只能接近.


星物語


速度的上限應該正確表述是光在真空中的速度,因為有些介質中光速很慢,是可以超越的,絕對零度確實是溫度下限。

速度有上限

光速是有麥克斯韋方程組算出來的,然後經過實驗驗證的結果。

由麥克斯韋方程組計算後得出光速:

可知,光速只與物質的介電常數和磁常數有關,與任何參照物無關。

不同的介質介電常數和磁常數不一樣,所以光速在不同介質中的速度是不一樣的。

在宇宙真空環境下,其介電常數為 ε0=8. 854187817×10-12F/ m 磁常數為 μ0 = 4π × 10-7 N/A2 = 4π×10-7H/m

故在真空下光速為

愛因斯坦根據麥克斯韋方程組定義真空下光速不變原理,由此構建相對論大廈,根據相對論,物體在真空中的速度是無法超過光速,光在真空中的速度可以認為是速度的上限。

但不是所有介質中光速都不可超越。在有些介質中,物體的速度確實可以超過光速,這也與相對論並不矛盾。光在不同介質中的速度不同,在愛因斯坦凝聚態中,,速度甚至小到只有10多米每秒,在此介質中如果有粒子的速度超過光速,那麼超過光速的粒子會劃出一道短暫明亮的藍光。

溫度有下限

物質的溫度取決於其內原子、分子等粒子的動能。根據麥克斯韋-玻爾茲曼分佈,粒子動能越大,物質溫度就越高。

所以在理論上,若物體分子沒有動能和勢能,動勢能為0,故此時物體內能為0。那麼此時的溫度為理論最低溫度,即絕對零度,開爾文單位為0K,攝氏度單位為-273.15℃。這是一個無法達到的溫度,自然界的溫度只是無限逼近絕對零度,因為任何空間必然存有能量和熱量,也不斷進行相互轉換而不消失。所以絕對零度是不存在的,除非該空間自始即無任何能量熱量。

宇宙最冷的地方

“回力棒星雲”,是目前所知自然界中最寒冷的地方,稱為“宇宙冰盒子”。其溫度-272℃,僅比絕對零度(-273.15℃)高將近1度。這個“熱度”是作為宇宙起源的大爆炸留存至今的熱度,是證明大爆炸理論最顯著有效的證據之一。


有初有終


速度和溫度都是描述物質運動規律性的物理量,只不過是速度是描述物體的宏觀現象,即物體運動的快慢。而溫度是描述物體的微觀現象,即分子運動的劇烈程度。

所以要探究物體運動的極限速度和分子運動極限溫度必須從宏觀世界和微觀世界兩個角度去理解。



宏觀物體的運動有極限速度,即C=3x10^8m/s,主要是受物體質量的約束,按照愛因斯坦的質能方程(E=mC^2)的理解,當物體運動速度達到很大時,其質量會不斷地增大,客觀上,物體的質量是一個定值,因為質量是物體所含物質的多少,對於確定的物體,組成物質的分子數目是不變的。所以,質量的增加,不過是"視質量"。換句話說,當一個物體達到光速時,實際上是不存在質量了,它們是以能量的形式存在,如質子、中子、光子波色子等基本粒子。反過來說,只有"無質量"的粒子,其運動速度才能達到光速,如能量、信息等,自然界中的物體都是由分子和原子構成,不可能達到光速,假如達到光速,物質的形態亦不存在了。!



如果物體的溫度下降,分子或原子的運動速度就會變慢,我們可以用科學推理法,假如溫度降到足夠低,分子運動不也就停止了嗎?這個結論與分子動理論相矛盾。所以,不存在極限溫度。oK(-273℃)是人類用數學方法推導出來的溫度,實際上不存在這個溫度,因為這個溫度座標是一次函數的延長線的交點。所以,科學家認為可以把這個座標作為一個溫標的起點,這樣,才誕生了熱力學溫標。實際上宇宙中不存在這個溫度值。假如物體達到這個溫度,物質就不存在了,這可能嗎?



總之,人類對宇宙的認識有極限,物質運動有極限。


理性科普者


這個問題的提出其實本身就是不正確的。因為雖然溫度存在著理論上下限,但是速度並不存在著理論上的上限。

之所以溫度有下限,哪是因為溫度是熱運動的表現與反應,當一切的運動都歸於靜止時,哪麼這個溫度也就達到了理論上的絕對零度。對於絕對零度而言其實還有一個潛在的規則,那就是由於在整個宇宙中根本無法消除一切的熱運動,所以儘管隨著全人類的科技發展,超低溫的溫度也在一次次的被打,但是絕對零度仍然是無法實現的。甚至也可以說絕對零度是根本不存在的。因此可以充分的定義,最低溫度只能夠存在於理論之中,而現實中是不存在這個溫度的。

另外,關於速度的問題,其實速度到底是個什麼存在?這取決於生物的感知系統,因此速度既有客觀性也有主觀性,速度本身就是主觀與客觀的結合。這樣講可能現在還有很多人不能理解,為了便於大家理解的方使,下面我就給大家舉一個實例說明這個問題。例如在天空上產生雷電了,哪麼一般人就會有兩種感應到這個雷電的方法,一個是通過聽覺而感應到這個雷電的存在,另一個是通過視覺而感應到這個雷電的存在,又由於光速大於聲速,這也就產生了我們對這個現象的一般認知,既先看到了閃電然後才會聽到雷聲。好了既然我們有了這個認知就可以分析以下現象了,我們可以試想一下有一個先天的盲人,他會怎樣看待這個雷電?由於他天生沒有視覺,這也就使他完全喪失了視覺的主觀認知,他能夠做到的也就僅僅是通過聽覺的主觀感知而感覺到雷電的存在。因此這時候如果有一個正常人給他講光速的感知速度,哪麼這個盲人無論如何也是無法理解的,這就是主客觀無法結合的結果。在這裡生物的感知能力就是主觀的,而具體的光速和聲速的存在就是客觀的。經過這樣的分析,相信大家現在已經可以理解速度既是主觀的也有客觀的這句話了。

有了這樣的認知,我們就可以更深的考慮一個問題了。光速雖然很快,但是它真的就是客觀存在的最高速度嗎?生物的視覺雖然能夠感應到光如此快的傳遞速度,但是生物的感知功能真的已經能移感知到了宇宙所創造的最快速度了嗎?聽到了這樣的問題,我相信大家已經不會再有答案了。既然沒有答案,哪麼我們不防展開分析一下這個問題,由於目前生物感知的最快的速度僅僅是光速,所以這也就決定了兩個事實的存在。第一個是一旦超過光速必然就會產生光速無法趕超的黑洞現象;第二個就是在可見或者不可見的光譜範圍內,光速才是極限速度。當然我們講的這個速度是真對宇宙空間絕對靜止系而言的絕對速度,而不包括可以疊加的相對速度。由於在計算相對速度過程中是可以疊加,且是必須疊加的,這也就決定了相對超光速是無處不在的,並且在可見或者不可見的光譜範圍內,二倍光速才是真正的極限速度。另由於絕對超光速會產生光速無法趕超的黑洞現象,這也就決定了絕對的超光速必然會存在於宇宙黑洞天體的不可視界面之內。

因此說,光速不僅不是極限速度,而且速度也是沒有上限的。


天澤方圓之楊春順


很隨意的閒聊,不要過於當真。

站在科學定義角度講,是不存在數值上下限這個概念的,只會在不斷探索中不斷更新。另外,科學需要可驗證,可復現,可實現等基本要素。很明顯光速與開爾文零度目前均無法驗證。

自秦始皇登基以來,統一了度量衡。而上下限正好是一個度量衡需要用到的一個指標,沒有就無法展開後續工作,並不代表就沒有更快更低。

中國擅長文字遊戲,歐美擅長數字遊戲,歐洲物理學的快速進步促使了需要對很多領域做數值上的定義,否則所有數值都會出現混亂,即便給出值誤差很大,也不影響當前的計算與應用,以後逐步替換數值即可。

當前光速定義是自然界已知物體運動的最大速度,未知領域的並沒有(完全)包括在內,就算這一理論或推論有愛因斯坦、牛頓等人的推導,都已經是上世紀的事了,只是暫時沒推翻,因為當前科技也沒能力證明極限,或者還不影響計算精度。隨著科技進步會逐步接近,完全吻合,或全面更新。

光速不考慮參照點,僅已自身出發點為標準,速度為30萬公里,沒有疊加速度。

絕對零是威廉•湯姆遜•開爾文在1848年提出,用當時的空氣溫度計測算出的,是“理想氣體分子停止運動時的溫度”。不說測算的嚴謹性,即便有誤差,也只是數值問題。按概念,如果本來就沒有的,那裡的溫度就是絕對零度或可能低於絕對零度,有物質的地方只會無限接近零。

因此上下限僅僅為了便於計算,給出了一個短時期不會被替換的數值,是一個量化指標。在使用中逐漸產生懷疑,然後去求證,最後獲得一個真實值,然後整個物理學調整誤差,進入下一代文明。

有一種說法,可以肯定的是公理,可以證明的是定理,推導出來的是推論,有前提的是定律。光速與絕對零都是有前提條件的。光速是推論,要求真空,絕對零是定律,只適用冷原子實驗室。


夢景仙


是宇宙物理源,延伸作用力,產生重虛貫力。


瀟瀟灑灑一二郎


我們的宇宙,誕生之時就確定了自己的物理常數。由此也就對其中的各種事物規則都做了框架。當人類有能力創造宇宙的時候,我們就有可能攜帶自身的物理常數去穿梭於各個宇宙。


選個名這麼費勁


速度的上限來自於人類目前認知的上限。溫度的下限亦如此。都是當前的真理但不一定是宇宙真理,目前來看,溫度下限問題可能更接近真理。


崇正堂


估計是原子運行(電孑繞核)速度所致


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