溫度是什么概念？在日常生活中它就是一個(gè)冷熱的概念，在熱力學(xué)中它表示物質(zhì)的微觀粒子運(yùn)動(dòng)劇烈程度，從量子場(chǎng)論的角度來(lái)理解，溫度和真空漲落有關(guān)，決定了虛粒子對(duì)產(chǎn)生的幾率......扯的太遠(yuǎn)了，我們還是來(lái)討論熱力學(xué)中的概念吧，要不然今天扯不完！

溫度是系統(tǒng)平均動(dòng)能的體現(xiàn)，我們以此為基礎(chǔ)，可以將話題展開(kāi)討論了！

分子的熱運(yùn)動(dòng)

一、溫度為什么會(huì)有一個(gè)上限？普朗克溫度是怎么來(lái)的？

宏觀溫度的表現(xiàn)就微觀粒子運(yùn)動(dòng)的劇烈程度，本質(zhì)上反映的是物質(zhì)微觀粒子的平均動(dòng)能，根據(jù)物質(zhì)粒子的熱運(yùn)動(dòng)以及熱力學(xué)定律的總動(dòng)能之間的等價(jià)關(guān)系，N個(gè)微觀粒子的總動(dòng)能如下：

1/2Nmv^2 = 1/2NkT

將其轉(zhuǎn)換為開(kāi)氏溫標(biāo)

T=mv^2/k

其中m為質(zhì)量，v為運(yùn)動(dòng)速度，k為玻爾茲曼常數(shù)

物體宏觀溫度等于微觀粒子質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)速度的平方再除以玻爾茲曼常數(shù)。我們知道了微觀粒子運(yùn)動(dòng)與宏觀溫度之間的關(guān)系之后，就可以計(jì)算物質(zhì)的極限溫度了！但首先我們要確定這個(gè)公式中的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：

1、微觀粒子的質(zhì)量上限是多少？

這里我們必須引入一個(gè)普朗克質(zhì)量的概念，這個(gè)意思是當(dāng)粒子的康普頓波長(zhǎng)等于其史瓦希半徑時(shí)的粒子質(zhì)量，也就是一個(gè)微觀粒子在坍縮為黑洞前的半徑上限，簡(jiǎn)單的理解就是理論上會(huì)坍縮為黑洞的最小質(zhì)量！

當(dāng)然目前發(fā)現(xiàn)的基本粒子質(zhì)量都遠(yuǎn)小于普朗克質(zhì)量，所以各位不必?fù)?dān)心某個(gè)基本粒子突然坍縮為黑洞繼而影響整個(gè)世界。

2、微觀粒子運(yùn)動(dòng)速度上限是多少？

這還要問(wèn)嗎？任何有靜止質(zhì)量的物質(zhì)都不可能達(dá)到光速，所以微觀粒子的運(yùn)動(dòng)速度上限就是光速。

這個(gè)理論溫度的上限就是當(dāng)普朗克質(zhì)量的基本粒子在以光速熱運(yùn)動(dòng)時(shí)，所表現(xiàn)出來(lái)的宏觀溫度，如上圖公式所示，將普朗克質(zhì)量代入上述公式即可計(jì)算，各位有興趣的話不妨試試。

根據(jù)現(xiàn)代宇宙大爆炸理論，在宇宙誕生的第一個(gè)普朗克時(shí)間內(nèi)（時(shí)間的最小單位，5× 10^-44秒），所達(dá)到的溫度，從暴漲開(kāi)始后宇宙空間無(wú)限擴(kuò)張，溫度會(huì)一直下降......

二、那么溫度為什么會(huì)有一個(gè)下限呢？下限溫度又是多少？

我們了解了溫度的由來(lái)是微觀粒子的運(yùn)動(dòng)所致，理論上來(lái)看它不運(yùn)動(dòng)不就是最低溫度了么？當(dāng)然這樣理解無(wú)比正確，我們將T=mv^2/k中的速度v=0代入公式，您可以準(zhǔn)確無(wú)誤的計(jì)算出T將等于0K，開(kāi)氏溫標(biāo)換算成攝氏溫標(biāo)，這個(gè)0K為-273.15℃，我們稱它為絕對(duì)零度。

上圖是微觀粒子運(yùn)動(dòng)與溫度之間的關(guān)系曲線，當(dāng)速度無(wú)限趨向于0，那么這個(gè)溫度將會(huì)無(wú)限趨向于-273.15℃，但很可惜這只是一個(gè)理論計(jì)算值，因?yàn)槲覀儾豢赡苓_(dá)到這個(gè)溫度。

為什么我們無(wú)法到達(dá)絕對(duì)零度？

很簡(jiǎn)單因?yàn)榛玖Ｗ拥倪\(yùn)動(dòng)不會(huì)靜止，根據(jù)海森堡不確定性原理，基本粒子的動(dòng)量和位置是不可能同時(shí)確定的，而且兩者之積必須大于等于普朗克常數(shù)的1/2，從這一點(diǎn)來(lái)看，基本粒子都會(huì)有一個(gè)最小的動(dòng)量，所以要達(dá)到絕對(duì)零度是不可能的。

請(qǐng)樂(lè)樂(lè)老師原諒，用了您的素材

從上文來(lái)看，規(guī)定宇宙中最高和最低溫度的不是佛祖，也不是上帝，而是基本粒子的運(yùn)動(dòng)。

那么我們迄今為止能達(dá)到的極限最低溫度是多少呢？

2018年5月21日，NASA將搭載了冷原子云實(shí)驗(yàn)（CAL）的天鵝座飛船送入了太空，準(zhǔn)備國(guó)際空間站展開(kāi)到2020年結(jié)束的冷原子云實(shí)驗(yàn)，目標(biāo)是制造有史以來(lái)最低的溫度，使用的原理就是使用激光多普勒制冷方式，使原子“停止運(yùn)動(dòng)”，當(dāng)然原子不可能停止運(yùn)動(dòng)，但運(yùn)動(dòng)速度大幅減小，以達(dá)到變相冷凍原子的目的。

冷原子云實(shí)驗(yàn)達(dá)到了宇宙中最低的溫度：-273.1499999999 ℃，但距離絕對(duì)零度仍然有一步之遙！

如此極低溫能干嘛？

物質(zhì)第五態(tài)：玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)將在如此低溫下誕生，這是聚集在一起形態(tài)猶如一個(gè)“宏原子”奇特狀態(tài)，與費(fèi)米子凝聚態(tài)剛好相反（費(fèi)米子凝聚態(tài)也聚集在一起，但每一個(gè)占據(jù)的能態(tài)都不一樣）。因?yàn)椴Ｉ?愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)能實(shí)現(xiàn)在兩團(tuán)冷原子云之間的糾纏，這可能是未來(lái)大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)。

國(guó)際空間站的冷原子云實(shí)驗(yàn)將延續(xù)到2020年，未來(lái)會(huì)有什么樣的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，我們拭目以待。