宇宙的下限温度即为逼近绝对零度但未达到绝对零度。
绝对零度(absolutezero)是热力学的最低温度,但只是理论上的下限值。热力学温标的单位是开尔文(K),绝对零度就是开尔文温度标(简称开氏温度标,记为K)定义的零点。0K约等于摄氏温标零下273.15摄氏度,也就是0开氏度,物体在此温度下没有热能。物质的温度取决于其内原子、分子等粒子的动能。根据麦克斯韦-玻尔兹曼分布,粒子动能越大,物质温度就越高。理论上,若粒子动能低到量子力学的最低点时,物质即达到绝对零度,不能再低。然而,绝对零度是不可能达到的最低温度,自然界的温度只能无限逼近。如果到达,那么一切事物都将达到运动的最低形式。因为任何空间必然存有能量和热量,也不断进行相互转换而不消失。所以绝对零度是不存在的,除非该空间自始即无任何能量热量。在绝对零度下,原子和分子拥有量子理论允许的最小能量。
绝对零度是根据 理想气体所遵循的规律(即理想气体状态方程,pV=mRT/M=nRT=mrT,r=R/M),用外推的方法得到的。用这样的方法,当温度降低到-273.15℃时,气体的体积将减小到零。如果从 分子运动论的观点出发,理想气体分子的平均平动 动能由温度T确定,那么也可以把绝对零度说成是“ 理想气体分子停止运动时的温度”。以上两种说法都只是一种 理想的 推理。事实上一切实际气体在温度接近-273.15℃时,将表现出明显的 量子特性,这时气体早已变成 液态或 固态。总之,气体分子的运动已不再遵循 经典物理的热力学统计规律。通过大量实验以及经过 量子力学修正后的理论导出,在接近绝对零度的地方,分子的动能趋于一个固定值,这个极值被叫做 零点能量。这说明绝对零度时,分子的能量并不为零,而是具有一个很小的数值。原因是,全部 粒子都处于能量可能有的最低的状态,也就是全部 粒子都处于 基态。
逼近技术温度纪录:
和外太空 宇宙背景辐射的 3K 温度做比较,实现 玻色-爱因斯坦凝聚的温度170*10^(-9)K 远小于 3K,可知在实验上要实现 玻色-爱因斯坦凝聚是非常困难的。要制造出如此极低的温度环境,主要的技术是 镭射(激光) 冷却和蒸发冷却。
由德国、美国、奥地利等国科学家组成的一个国际科研小组在实验室内创造了仅仅比绝对零度高0.5纳 开尔文的温度纪录,而此前的纪录是比绝对零度高3纳开。这是人类历史上首次达到绝对零度以上1纳开以内的极端低温。
最冷之地:
智利天文学家发现了宇宙最冷之地,这个宇宙最冷之地就叫做“ 回力棒星云”,那里的温度为零下272摄氏度,是目前所知自然界中最寒冷的地方,成为“宇宙冰盒子”。事实上,布莫让星云的温度仅比绝对零度(零下273.15℃)摄氏度高1度多。这个“热度”(因为实际上我们谈到的温度总是在绝对零度之上)是作为 宇宙起源的大 爆炸留存至今的热度,事实上,这是证明 大爆炸理论最显著有效的证据之一。