0度空间,温度既然有下限?
温度应该是人类最关注的自然气象之一,很多人习惯于前一天晚上看天气预报,可以了解第二天的温度以及降雨情况,这样就可以适当的进行加减衣物。还比如最近两年疫情闹的我们,对于自己的体温都十分关注,就怕高过37摄氏度。
不知道大家是否思考过这样一个问题,对于整个宇宙来说,例如太阳像一个炽热的大火球,它的表面温度可以达到5500摄氏度,而像太阳系的边疆冥王星,其表面温度可以低至零下200摄氏度,不仅仅是水结冰了,就是氮气都结冰像雪花一样落下来。那么宇宙中温度有上下限吗?
温度是什么?从宏观的角度来讲温度就是物体表面的冷热程度,例如热水袋就给人很温暖的感觉,而冰雪摸起来就是非常寒冷的,当然这个里边也涉及到一个热量的传递,正常来讲有温差的两个物体相互接触就会有热量的传递过程。因此温度高低也并非可以直接感受出来,这要取决于温度差。
如果从微观角度来讲,微观粒子热运动的激烈程度,外在表现就是一个物体的温度,粒子运动的越剧烈温度就越高,反之温度就会越低。当然这只是理想状态下的温度微观体现,一般主要是取决于微观粒子的平均动能,是一种统计学上的意义。
因此说宏观上的温度和微观粒子运动剧烈程度,或者说运动速度有了联系,从这个角度就可以研究宇宙中的温度高低极限值。
宇宙最低温度:绝对零度宇宙中是存在最低温度的,那就是绝对零度,从热力学角度来讲,其温标的单位是开尔文,用英文字母k来表示,它和摄氏度的换算标准是0k=-273.15摄氏度,而0开尔文就是绝对零度,也就是零下273.15摄氏度。
我们以最简单的方式来来理解宇宙中的最低温度也就是绝对零度,前文已经提到了物体的宏观温度和其微观粒子状态有关,理想状态下如果微观粒子全部停止不动,那么就是温度最低的时刻。
但是微观粒子可以完全静止不动吗?从量子力学的角度分析,这是完全不可能的状态,因为量子力学里有不确定性原理,它阐述的中心思想是微观量子的性质是不确定的,处在一种叠加的状态,只有在观察的瞬间可以塌缩成一种状态。那也就意味着微观粒子的速度不能为零,这样就不符合“不确定性原理”了。
微观粒子动能有一个能满足量子力学的最低值,当达到这个最低值的时候就是物体的温度下限,也就是绝对零度,宇宙中理论的温度下限。
目前已知宇宙中最低的温度比宇宙微波背景辐射还要低,它是科学家在1995年发现的,这个星云距离地球大约是5000光年,被命名为飞镖星云,其温度最低为-272摄氏度,仅仅比绝对零度高一摄氏度左右。
宇宙温度上限:普朗克温度这是一个以德国物理学家马斯克·普朗克命名的温度单位,也就是普朗克温度,它代表着宇宙中温度的上限。现代科学体系认为任何高于普朗克温度的存在都是没有实际意义的。
按照目前的主流科学观点,宇宙诞生于138.2亿年前的奇点大爆炸,那是宇宙的真正起源,而宇宙开始膨胀的那一瞬间是能量最高温度最高的时刻。
换一句话说就是距离“爆炸”那个节点时间越近,温度就越高。在目前的科学体系里时间的最小单位就是普朗克时间也就是(5.39^10-44s),而在这个时间节点的温度就是宇宙中最高的温度也就是1.4亿亿亿亿开尔文。
如果说比这个时间更早的是最高温度,但那些都没有实际意义了,因为时间的最小刻度就是普朗克时间,对应的最高温度就是普朗克温度。
其实从另外一个角度也完全可以解释清楚,和绝对零度一样,微观粒子因为量子力学不可以变成静止状态也就是速度为零,那么因为狭义相对论限制,有静止质量的物体速度永远达不到光速,这也就意味着宇宙中温度是有上限的。
说在最后宇宙中的温度既有上限也有下限,最低温度是绝对零度,换算成摄氏度就是零下273.15摄氏度,最高温度就是普朗克温度,宇宙大爆炸那个瞬间的最高温度为1.4亿亿亿亿开尔文。
文/科学黑洞,图片来源网络侵删。
如果有物体的温度低于绝对零度会怎样?
实验室目前还没做出过绝对零度
关于这个问题,我们要先搞清楚一点,那就是无论如何都不可能达到绝对零度。这是瓦尔特·能斯特提出的热力学第三定律,大意说的就是:
不可能透过有限过程使系统冷却到绝对零度。(当然这里我所说的是纯粹的温度)
并且在2017年3月14号,物理学家强纳森·欧本海姆和路易斯·马撒纳斯通过数学证实了绝对零度是不可能达到的。
当然,科学家一般都是喜欢挑战定律的,只有反常的事情才有可能得出新的理论。于是,许多科学家在实验里试图做到绝对零度。比如:多国科学家一起合作的国际科研小组就在实验室里做到了仅比绝对零度高了0.5纳(10^-9)开的温度。
当然,大多数挑战绝对零度的实验无一例外,都只是无限接近了绝对零度,但其实都没有做成。而更不要说低于绝对零度了,可能你要说了,这是不是人类的水平有限,说不定有什么高级文明已经可以做到了。这种虚无缥缈没有证据的事情也没办法探讨。但是我们可以从理论上去了解为什么达不到绝对零度。
温度对我们来说,最大感受就是冷热,不过这是宏观的。对于热到底是什么,学者们也研究了很多很久,最早也的人认为这是一种物质,后来这种看法被实验否定了。而且对于温度更为本质的看法来自于热力学,也可以叫做统计力学。这是一种微观的视角,科学家认为冷热其实是一种运动,是微观粒子的平均动能的宏观体现。
说白了,你给一个加热,并不是传递给了它什么具体的东西,而是让它表面的粒子整体上看起来运动得更加剧烈而已,所以我们才会用粒子的平均动能来表述冷热。
知道了这些,我们也就能明白绝对零度到底怎么来的了,也就是说,让这些粒子都别动时,也就是没有平均动能或者说动能最低时,可能是温度最低的状态。
不过这里要补充一点,由于量子力学中的不确定性原理的存在,粒子是不可能完全静止的,如果真的达到了绝对零度,粒子应该停留在一定范围内振动。
所以,总不至于让粒子拥有负动能吧?毕竟也没有这样的概念和说法,因此,绝对零度其实已经是最低的温度了。我们的宇宙中由于有宇宙微波背景辐射的存在,也就是宇宙大爆炸时留下来的余热,在宇宙中传播,它自身温度是3开,因此,宇宙并不是绝对零度的。
那为什么达不到绝对零度呢?我们可以想象一下,如果给一个物体进行降温。这其实和抽真空很像,常规的办法就是用个温度更低的东西来给这个物体进行降温,我们也管这个叫做热传递。如果从这个角度去思考,要让一个物体降到绝对零度岂不是就要拿一个低于绝对零度的物体来降温?可是,我们都做不到绝对零度,如何去拿一个低于绝对零度的物体来降温?
所以,用这样的办法是无法实现。当然,上文我也说到了,科学家是不信邪的,它们打算在原子层面上操作,以此来让每个原子近乎“静止”在一定的范围内,比如:激光冷却或者蒸发冷去。不过,用这些办法也没有能够成功。所以,在面对绝对零度这道坎,我们目前无法迈过去。而低于绝对零度则更是不可能的,因为根本不存在那样的微观状态,所以也就不可能体现到宏观世界当中。
当然,有的人可能会提到“负温度”的概念,实际上目前已经证明在已知的系统中是不存在负温度,“负温度”的概念更多的是一种数学表述的手法,实际上即使存在这样的系统,这个系统的温度也绝对不是绝对零度,而是要高于绝对零度,这和“熵”以及“能量状态”有关,由于目前还有争议,就不过多讨论。
因此,按照目前的理论来看,绝对零度是达不到的,更不要说低于绝对零度了。
奶粉真的利润很大么?
看到这个问题,又勾起了我曾经的工作,一名奶粉销售员,奶粉的利润是真的很大,毛利润大的多,不然她们送这送那的,那些礼品不要钱吗,羊毛出在羊身上的,没有足够的利润空间怎么能送那么多的礼品呢。
我的建议是,0到1岁的宝宝最好必须吃最贵的那种听装,因为这个时候的宝宝发育很重要,因为便宜的奶粉把促销员的工资,礼品都去掉的话,奶粉的真实成本价真的没什么了,我是不能够想象这么低的价格造的奶粉真的很好吗,我想吃奶粉的宝宝也是没有办法。因为妈妈没奶的缘故,中国的女性普遍缺奶,所以中国奶粉的销售也非常的好,再缺钱,一岁都要吃最好的,为了宝宝的健康。
在国内销售奶粉品牌塑造真的很重要,它是需要在某个地方把品牌塑造的更好,更有影响力,不然也不好卖,估计奶粉的利润空间可以做到买二送一还有钱赚,所以有时候卖的也是活动力度的大小,虽然说利润空间很大,但是奶粉的费用也比较大,比如陈列费,展示费,促销员的费用,所以没有大力度的促销也很难有好的销量。无论利润大小,有销量才是最重要的
平行宇宙究竟是什么?
科学家在最近几十年发现我们的宇宙充满著各种为生命的存在而设的精细微调。例如电磁力常数和引力常数的比例只要增加或减少1040分之一,又或者电子的数目比质子的数目多或少1037分之一,生命就不会出现。这些宇宙微调的发现令人不其然地联想起一位超自然的造物主。
有些无神论者为了迴避造物主创造宇宙的可能性,提出以「多重宇宙」(multiverse)去解释这些目前科学无法解释的宇宙微调。所谓「多重宇宙」(或称为「平行宇宙」(parallel universes),是一种认为在我们的宇宙外存在著其他宇宙的假说。他们的论点是:如果有众多(甚至无限多)的平行宇宙存在,为生命存在而设的宇宙微调就可以轻易解释。因为即使绝大部份平行宇宙的特性及环境不适合生命居住,只要有足够多数目的宇宙存在的话,总有一个适合生命居住。而根据「弱人本原理」(Weak Anthropic Principle),我们的宇宙必须看似为生命而设,否则我们就不会有机会在这个宇宙中观测它。
究竟多重宇宙是否存在?可否被证明?而多重宇宙对创造论又有甚麽影响?
要解答以上问题,我们必须首先了解多重宇宙论的定义和含意,因为「多重宇宙」一词有很多不同的意思。宇宙学家铁马克(Max Tegmark)把多重宇宙分为四个级别(Level)。
多重宇宙的类别
第一级多重宇宙(Level I Multiverse)
第一级多重宇宙是指因为距离我们太远,以致我们不能观测到的空间。现时我们能够观测最远的距离为4×1026公尺(或420亿光年)以外的地方 — 这是光在大爆炸(Big Bang)发生后至今所通过的距离。因此我们的宇宙就好像一个半径420亿光年的「区域」。
第一级多重宇宙是指宇宙裡其他我们不能观测的区域,每一个第一级平行宇宙都好像我们的宇宙,并拥有相同的物理定律和物理常数,不同的只是在各平行宇宙裡的物质分佈。(图一)
第一级多重宇宙其实是一个误称,因为严格来说,所有第一级平行宇宙只不过是同一个宇宙的一部分。现时被广泛接纳的「大爆炸理论」(Big Bang Theory)亦支持第一级多重宇宙的存在。根据大爆炸理论,宇宙诞生后10-36秒至10-33到10-32之间曾经发生过「暴胀」(inflation)。在这段期间,宇宙空间经历了超光速膨胀4 ,并膨胀了至少1078倍。正因为宇宙暴胀的关係,原本在大爆炸初期可以互相观测的区域,在暴胀后完全被分隔起来,形成不同的第一级平行宇宙。
第二级多重宇宙(Level II Multiverse)
有些宇宙学家进一步推测除了我们的宇宙外,还有很多拥有不同物理定律和物理常数的宇宙。
例如根据宇宙学家林德(Andrei Linde)的「混乱暴涨理论」(Chaotic Inflation Theory),因为某些「纯量场」(scalar field)的量子起伏而令不同的宇宙好像气泡般自我生成,并通过暴涨形成平行宇宙(子宇宙),我们的宇宙只不过是这些平行宇宙的其中一个而已(图二)。 这些平行宇宙之间原则上完全不可能互相沟通或观测。
根据弦论(String Theory),这些平行宇宙可以有十分不同的物理定律,不同的物理常数,不同的物质,甚至不同时空维数。所有被允许的局部物理定律被称为「弦论景观」(String Theory Landscape)。有弦论家估计在弦论景观裡可能有10500个不同的可能的环境 6。
例如威令根(Alexander Vilenkin)等支持第二级多重宇宙的宇宙学家一般相信有无限多的平行宇宙存在,同时亦有无限多像地球的行星存在,甚至有无限多的你和我存在。在这个 平行宇宙的「你」可能正在看这篇文章,但在其他平行宇宙的「你」可能正在看电视又或者在睡觉。
第三级多重宇宙(Level III Multiverse)
量子力学(Quantum Mechanics)在过去一个世纪精确地描述在微观世界裡基本粒子之间的相互作用,并准确无误地通过每一个实验的考验。例如根据量子电动力学 (Quantum Electrodynamics)所计算出电子的异常磁偶极矩(anomalous magnetic dipole moment)与实验的结果吻合到一亿份之一。
可是量子力学的问题在于其解释。哥本哈根解释(Copenhagen interpretation)是量子力学中最被广泛接纳的一种解释。根据哥本哈根解释,一个量子系统(例如一个原子)的量子态可以用波函数(wave function)来完全地表述。然而根据海森堡的不确定性原理(Heisenberg's Uncertainty Principle),一个粒子的位置和动量无法同时被确定,因此量子系统只能用机率来描述,而机率就是波函数的绝对值平方。在「薛定谔的猫」 (Schrödinger's cat)的思想实验中,有一只猫被放入一个有一粒放射性原子核和毒气装置的封闭的箱子裡。假设放射性原子核在时间T裡有50%的可能性发生衰变。如果发生 衰变的话,它会发射出一个粒子,并触发装置放出毒气把猫杀死。根据哥本哈根解释,在未打箱子开进行观察前,原子核处于未衰变和已衰变的叠加态 (superposition state)。换句话说,原子核的波函数Ψ在时间t=T的时候可以写成:
|ψ>=(|未衰变>+|已衰变>) /√2
而猫的波函数在时间t=T则可以写成:
|ψ>=(|活猫>+|死猫>) /√2
亦即是说那隻猫处于「又生又死」的状态。可是一旦观察者打开箱子观察猫是生还是死的时候,波函数便会立刻坍塌,而观察者只会观察到「生猫」或是「死猫」两个状态其中之一,而非「又生又死」。
艾弗雷特三世(Hugh Everett III)于1957年提出了另一个所谓「多世界解释」(Many-Worlds Interpretation)。根据多世界解释,测量带来的并非波函数的坍缩,而是宇宙的「分裂」。因此在「薛定谔的猫」的思想实验中,猫并非处于一种 「又活又死」的状态,
而是举一个更简单的例子:一天早上某人的闹钟响了,他有两个选择:他可以起床准时上班;亦可以把闹钟关掉然后继续睡觉。这时宇宙分裂成了两个:在其中 一个宇宙裡他决定起床上班;而在另外一个宇宙裡他决定继续睡觉。在他决定起床上班的宇宙裡他又面对两个选择:他可以选择吃早餐,又或者不吃早餐直接上班。 于是这时宇宙又分裂成了两个:在其中一个宇宙裡他吃早餐;而在另外一个宇宙裡他不吃早餐。我们的宇宙就是这样不断地分裂成无数的平行宇宙,这就是所谓的 「第三级多重宇宙」。
如果你认为第三级多重宇宙十分不合常理甚至疯狂,你的想法是正常的。
第四级多重宇宙(Level IV Multiverse)
有些科学家进一步推测所有拥有一套数学上一致(mathematically consistent)的物理定律的宇宙都实际上存在。换句话说,每一个可以想像的平行宇宙都存在,这就是所谓的「第四级多重宇宙」。
我们的宇宙只不过是众多(甚至无限多)平行宇宙的其中一个,人类的出现只不过是因为中了宇宙彩票。
为什么新下载的微信缓存都是零?
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