溫度是人類描述自然界中物質(zhì)的物理性質(zhì)的七大物理量之一，它描述的是大量粒子的熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度，宏觀上表現(xiàn)為物體的冷熱程度。物質(zhì)是由大量粒子構(gòu)成的，溫度本質(zhì)上就是物質(zhì)內(nèi)部分子、原子等粒子的平均動(dòng)能的體現(xiàn)，體系中的平均動(dòng)能越高，溫度也就越高。

在我們的認(rèn)知中，最熱無(wú)非就是恒星上。恒星就是一個(gè)大火球，以太陽(yáng)為例，其表面的溫度大約為5500攝氏度，其內(nèi)部的核心溫度為1500萬(wàn)攝氏度，而某些超大質(zhì)量恒星內(nèi)部的溫度可以達(dá)到數(shù)10億度。

實(shí)際上，宇宙中既存在溫度下限，也存在溫度上限。

溫度的上限

宇宙中的最高溫度是普朗克溫度，它是138億年前宇宙大爆炸開(kāi)始后第1個(gè)普朗克時(shí)間內(nèi)的宇宙溫度。

普朗克時(shí)間，即5.4×10^-44秒，這是量子世界中的最小時(shí)間間隔，沒(méi)有比這更短的時(shí)間了。大爆炸發(fā)生后的那一個(gè)普朗克時(shí)間內(nèi)，宇宙的尺度幾乎為0，宇宙中所有的質(zhì)能都集中在這個(gè)微小的維度內(nèi)，此時(shí)的溫度和壓力也是最高的，這個(gè)宇宙中曾經(jīng)存在的最高溫度理論上可達(dá)1.42×10^32攝氏度，即1.4億億億億攝氏度。

宇宙在大爆炸之前還是一個(gè)奇點(diǎn)，那時(shí)時(shí)空曲率無(wú)限大，密度無(wú)限大，因此有觀點(diǎn)認(rèn)為宇宙在那時(shí)的溫度也是無(wú)限高。可在那種狀態(tài)下，物質(zhì)以什么狀態(tài)存在，是否還具有粒子的形態(tài)，是否還能保持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這些我們都不清楚，這種狀態(tài)下應(yīng)該就不存在溫度這個(gè)概念了。

溫度的高低與粒子的熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度有關(guān)，如果體系中粒子的平均動(dòng)能無(wú)限大，是否意味著溫度就能無(wú)限高呢？

如圖所示，不同溫度下粒子的運(yùn)動(dòng)速度不同，溫度越高，運(yùn)動(dòng)越劇烈。

根據(jù)相對(duì)論，任何粒子的運(yùn)動(dòng)速度都不可能達(dá)到或者超過(guò)光速，只能無(wú)限接近于光速。當(dāng)粒子的速度趨近于光速時(shí)，動(dòng)能會(huì)趨于無(wú)限大，按理來(lái)說(shuō)，溫度也會(huì)趨于無(wú)限大。實(shí)際上，在此過(guò)程中，粒子的質(zhì)量也會(huì)趨于無(wú)限大，當(dāng)超過(guò)某個(gè)臨界值時(shí)，便會(huì)坍縮成為黑洞。此時(shí)，物質(zhì)陷入時(shí)空奇點(diǎn)內(nèi)，也就沒(méi)有溫度概念了。這個(gè)臨界值便是粒子的普朗克質(zhì)量，它是粒子的康普頓波長(zhǎng)等于其史瓦西半徑時(shí)的質(zhì)量。故而，這個(gè)宇宙中的理論最高溫被稱之為普朗克溫度。

溫度的下限

宇宙中的最低溫度是指絕對(duì)零度，即零下273.15℃。

靜止是相對(duì)的，不存在絕對(duì)的靜止?fàn)顟B(tài)。物質(zhì)是由粒子構(gòu)成的，而這些粒子在永不停息的做無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)。微觀粒子都具有不確定性，其位置和動(dòng)量永遠(yuǎn)處于不斷的變化之中，其平均動(dòng)能永遠(yuǎn)不可能為0。這意味著，任何物質(zhì)的溫度都不可能達(dá)到絕對(duì)零度。絕對(duì)零度不可達(dá)，這便是熱力學(xué)第三定律。

如圖所示，在零下200多度的超低溫狀態(tài)下，導(dǎo)體將會(huì)表現(xiàn)出超導(dǎo)特性。

早在上世紀(jì)70年代，科學(xué)家便使用激光形成光阱，將粒子困在其中，限制其運(yùn)動(dòng)，這被稱之為激光冷卻技術(shù)。它能夠在極小的空間范圍內(nèi)將物質(zhì)的溫度降到極其接近絕對(duì)零度的狀態(tài)，但仍然無(wú)法達(dá)到絕對(duì)零度。在宇宙中，某些星云的溫度就十分接近絕對(duì)零度。

此圖為激光冷卻技術(shù)原理示意圖。

之所以會(huì)出現(xiàn)-273.15這個(gè)數(shù)值，與我們采用的溫標(biāo)有關(guān)。在日常生活中，我們以標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，冰水混合物的溫度為0℃，水的沸點(diǎn)為100℃，正是這樣才有那個(gè)-273.15℃。如果我們將絕對(duì)零度定義為溫標(biāo)的零點(diǎn)，那么宇宙中的最低溫度將是0開(kāi)爾文，也就不會(huì)出現(xiàn)負(fù)數(shù)了。這種溫標(biāo)被稱之為熱力學(xué)溫標(biāo)。

結(jié)語(yǔ)

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，溫度與基本粒子的運(yùn)動(dòng)快慢有關(guān)，下限就是粒子停止運(yùn)動(dòng)，上限就是粒子的運(yùn)動(dòng)極限。但不管是最高溫，還是最低溫，都只能存在于理論上。

不過(guò)，目前還沒(méi)有實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚴刮镔|(zhì)的溫度降到絕對(duì)零度，正如還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)速度能夠超過(guò)真空中的光速，所以這個(gè)觀點(diǎn)還是十分牢靠的。

相較之下，目前在實(shí)驗(yàn)室中所達(dá)到的最高溫度是歐洲強(qiáng)子對(duì)撞中心粒子碰撞時(shí)所產(chǎn)生的溫度，高達(dá)10萬(wàn)億攝氏度，但與理論上限相差甚遠(yuǎn)。其實(shí)，永遠(yuǎn)不可能再現(xiàn)宇宙大爆炸那一剎那所存在的歷史最高溫了，除非再來(lái)一次宇宙大爆炸。

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