人類能創造10萬億度高溫,為什麼無法突破絕對零度?

人類創造的最高溫度

在歐洲的的瑞士日內瓦近郊,坐落著一座大型粒子加速器,江湖人稱LHC。LHC的周長達到了27公里,每當投入工作時,周圍居民樓的電燈泡都會暗不少。

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那什麼是大型粒子加速器呢?

它其實是深埋於地下的一個大型試驗裝置,但其中有專門的隧道。這個隧道當中鋪設了專門用來給粒子加速的加速管道。一般來說,科學家會把粒子加速到接近光速,然後讓粒子迎頭撞上。

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那為什麼要這麼做呢?

這其實是在驗證一些微觀世界的物理學理論。微觀世界由於尺度實在太小,經過100多年來的研究,科學家發現利用純粹的“對撞”來進行實驗,並分析對撞之後的產物是最有效的辦法。而如今關於微觀世界的理論是粒子物理學標準模型。那什麼是粒子物理學標準模型呢?

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上世紀,科學家就用這種對撞的方式發現了許多以前從來沒見過的粒子,如何把這些粒子安排明白就是一個很難的問題。後來,在一群科學家的努力之下,他們通過量子力學和相對論的結合,得到了一個理論框架,並把這些粒子都安排到了這個理論當中。

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而在這套理論當中,科學家預言了一個希格斯玻色子的存在,它的作用是賦予粒子質量

它是整個理論的最後一塊拼圖。科學家一直想要找到它,這就需要很好的實驗設備。一開始科學家跑到美國去說服美國人來修建這個設備,結果美國人覺得這個成本太高,於是就給拒絕了。

後來,科學家們跑到歐洲想要說服歐洲修建這個設備。當時他們包裝了一個概念,把這個希格斯玻色子叫做:上帝粒子。果然這一招很好使,真的就說服了歐洲修建,也就是LHC。

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LHC在尋找希格斯玻色子的實驗中,就在局部製造了能量相當於10萬億度的黑體輻射。這也是人類製造的最高的溫度

宇宙的最高溫度

10萬億度雖然很高的了,但它其實不是宇宙中的最高溫度。這個溫度大概是宇宙大爆炸後萬分之一秒的時候的溫度。那我們這裡為什麼要提到宇宙大爆炸呢?

這是因為,宇宙的最高溫度就誕生於宇宙大爆炸的起點。我們知道,按照目前科學界的主流理論,宇宙起源於138億年前的一次大爆炸

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在物理學中,任何變化其實都有最小的單位。也就是說,這個世界的變化並不是連續的,而是顆粒狀的,只是這個顆粒度實在太小,以至於我們認為世界的變化是連續的。在眾多的變化中,時間的流逝就是其中之一。時間變化的最小單位被我們稱為普朗克時間,大概是5.39*10^(-44)秒。

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由於如今物理學理論的限制,我們無法知道宇宙大爆炸後5.39*10^(-44)秒(普朗克時間)內到底發什麼。我們只知道,

通過理論可以推導出宇宙大爆炸後5.39*10^(-44)秒時,宇宙的溫度是1.41*10^32度,也就是1.41億億億億度。這是我們已知的宇宙最高溫度。

後來,隨著宇宙空間的膨脹,宇宙的溫度逐漸下降,到了萬分之一秒時,溫度是10萬億度,而到了如今,溫度只剩下2.73K,只比絕對零度高2.73度,是以宇宙背景輻射的形式存在的。

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所以,人類製造宇宙最高溫度還遠的很,甚至我們可以說,人類根本不可能做到這一點。既然最高溫度達不到,那有沒有可能達到絕對零度呢?

人類為什麼無法達到絕對零度?

熱力學第三定律告訴我們,絕對零度是達不到的。那為什麼會這樣呢?

我們都知道,絕對零度是零下273.15度。為什麼會是這麼奇葩的一個數字?

這要從物質的構成說起。萬物都是由粒子構成的,而粒子其實不是整整齊齊地排列的,而是不停地亂動。

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科學家發現,從微觀的角度來看,構成物質的粒子整體運動得越劇烈,溫度就越高。整體運動得越不劇烈,溫度就越低。

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於是,科學家就用粒子的平均動能來定義溫度。通過這個定義,我們不難想到,最低的溫度,那一定就是粒子的平均動能最小的狀態。所以,我們只要通過理論計算就可以得到絕對零度是零下273.15度。當然這個定義其實是基於0度是水結冰,而100度是水沸騰的條件之上。我們當然,也可以直接把絕對零度定義為0度。那為什麼絕對零度是達不到呢?

其實我們試想一下,根據溫度的定義,我們就可以知道,粒子的平均動能越低,溫度就越低,可是絕對零度對應的已經是粒子平均動能最低的情況,也就是說粒子的平均動能沒辦法再降低了,因此,溫度也就不能再降低了。

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當然,科學家是不信邪的,即便是物理學定律,他們也會嘗試去打破。在地球上有許多超低溫實驗都在挑戰絕對零度。但即便到了現在,科學家只能無限接近絕對零度,卻依然無法到達絕對零度,更不要說低於絕對零度了。

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