宇宙中的最低和最高温度是怎么测出来的？

网友提问：

宇宙中的最低和最高温度是怎么测出来的？

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宇宙中的物理与化学变化，都是先有理论，然后求证，建立数学模型，经过复杂的计算，得出的数据。宇宙中的最低和最高温度，都是这样计算得出来的。正如宇宙的质量，太阳系各大星体的质量一样，也是这样得出的结果。

匿名用户回答:

从宏观角度上来看，温度是表示物体冷热程度的一个物理量，而从微观角度上来说，温度则是表示物体微观粒子运动的剧烈程度，总的一句话来说，温度指的就是这些分子不规则的热运动，也被称为布朗运动。

如果当它们的热运动越来越剧烈的时候，其动能转化成的热能就越多，物体的温度也会变得越来越高，反之，当物质分子运动速度变慢的时候，产生的热量也相对较少，温度也就越低。诚然，世界万物都是由物质分子组成的，而温度的冷热又与这些物质分子有关。

根据科学家们分析发现，在太阳表面温度可以高达6000摄氏度，而目前地球上熔点最高的物质是铪合金，在标准大气压之下它的熔点为4200℃，这些数字看起来都很大，但在宇宙最高温面前是微不足道。

宇宙最高温度

目前已知的最高温度约为1.42亿亿亿亿度，即诞生于大爆炸时的瞬间温度，这也被称为普朗克温度，而且量子力学给出的温度上限就是普朗克温度——绝对热度。

宇宙大爆炸理论是现在最主流的宇宙来源理论，并且还有星体红移现象和宇宙微波背景辐射等天文观测证据的支持，按照宇宙大爆炸理论，宇宙应该是诞生于138亿年前的一次大爆炸，在宇宙最初的时候只是能量奇点。

一般理论认为这个奇点没有空间，宇宙半径尺寸趋近于零，但它却被科学家们认为其集合了宇宙中所有的物质和能量，被看作是一个密度无限大，热量无限大，温度无限高，压力无限大，时空曲率无限大，体积无限小的一个“点”，就这样，宇宙间所有的物质和能量全部都挤压在这样一个高压的环境中，而在奇点发生爆炸的一瞬之间，所有的物质和能量被释放了出来，也就是在这一时刻，宇宙最高温诞生了。

普朗克温度的“测量”

普朗克温度也被称为普朗克热点，是以德国物理学家马克斯·普朗克而命名的，表示的是温度单位，也记为TP，而且还代表着量子力学中一个基础极限的普朗克单位。

其实普朗克温度实际上只是科学家们提出的一个理论温度，数值为T=1.416833(85) × 10的32次方K，是宇宙中目前温度的上限，为宇宙大爆炸第一个瞬间的温度（第一个单位普朗克时间）。

温度在微观上代表的是粒子运动的剧烈程度，那么把温度与粒子运动联系起来——T=mv^2/k，其中m为所有粒子的质量，v为速度，k为玻尔兹曼常数。

如果要想计算出普朗克温度，就需要把各项的最大值代入，也就是速度点最大值，而目前宇宙中最快的速度为光速，所以将光速c代入上面的式子就可以得出下面的一个式子，其中mp为普朗克质量（是粒子的康普顿波长与史瓦西半径相比拟时的质量，理论上是粒子质量的最大值），h为普朗克常数，c为真空中的光速，k还是玻尔兹曼常数，G为万有引力的常数，这样计算就可以得出普朗克温度。

需要注意是，普朗克温度只在宇宙大爆炸的时候出现过，因此是由各项参数的最大值推算而来的，并不是实际测量的，也就是上面我们说到的是科学家提出的一个理论值。不过什么都有两面性，既然宇宙有一个最高温度，那么宇宙也应该存在一个最低温度。

在爱因斯坦的相对论中，光是宇宙中的极限速度，宇宙万物都只能无限接近，但无法达到甚至超越，与此类似的是，物理学中还有一个这样只能无限接近但不可能达到的一个概念——绝对零度。

绝对零度的概念

绝对零度是热力学上的最低温度，是一种理论上的最低的温度。

在热力学的描述中，温度的单位是开尔文（K），所以绝对零度的数值就是0K，如果换算成摄氏度的话，为—273.15摄氏度。

这是根据理想气体状态方程推导出来的，也是理想气体的分子停止运动时的温度，而绝对零度之所以有两个小数点，这是由其本身的定义而决定的，1 K 被定义为绝对零度和纯水三相点温差的273.16分之一，因为水的三相点的温度正好是0.01℃，所以0 K 就是-273.15℃。

绝对零度的计算

根据查理定律，对于任意一种理想气体，只要体积保持恒定，其压强和温度之比是一个常数，即C=P/T。

如果多次测量压强及温度，这样多组的压强以及温度参数就可以绘制成一条直线方程，对该方程进行推算，即可算出绝对零度的具体数值，其数值为-273.15摄氏度。

通过这样的方法，可以发现当物体的温度达到—273.15摄氏度时，气体的体积将会减小到零，从微观上理解，也就是当物体的温度处于绝对零度时，理想气体分子就停止运动（理想的状态），因此绝对零度也是在理想状态下计算出来的数值。

目前宇宙最低温

我们科学家们发现布莫让星云的温度只有—272摄氏度，可以看出这个温度只比绝对零度高了1.15℃，也是目前已知宇宙中最冷的地方，因此布莫让星云也被称为“宇宙冰盒子”。

后来为了制造出更低的温度，我们人类制造出了液氦，科学家们通过利用液氦蒸发的方法制造出了更低的一个温度，达到—273℃左右，而这个制造出的最低温与绝对零度只有0.1℃左右的差距，不过这0.1左右的差距是难以跨越的。

最低极限即绝对零度，—273.15摄氏度，这是一个永远也不可能达到的极限，除非原子完全静止，没有任何运动。

之前我们已经说过了，温度的高低取决于物质分子运动的剧烈程度，换句话来说，当分子的运动完全停止的时候，那么物体的温度也就达到了极限，这就是我们所说的绝对零度。但是为了能够达到真正的绝对零度，不仅原子运动必须停止，而且所有原子的内部组件也需要停止，那么电子需要停止绕原子核运动，原子核中的中子和质子也将停止相互作用，其内力，夸克等等也都必须停止所有活动。

但是根据量子力学效应这根本是不可能达到的，由于我们空间中的能量交换每时每刻都在进行的，而绝对零度只是一种理想情况，因此绝对零度只能无限接近，不可能达到。

低于绝对零度和高于普朗克温度的情况在目前科学体系下讨论都是没有任何意义的，而且现实生活中也不可能出现。

匿名用户回答:

我们知道，温度是表征物体冷热程度的物理量。在18世纪，瑞典物理学家摄尔修斯把沸点定义为0度，冰点定义为0度。这看起来好像很奇怪，但是在瑞典这个常年寒冷的地区来说，他们使用的温度就会比较少出现负数，众所周知，人们是不喜欢负数的。随后，生物学家林奈认为，物体越热温度应该越大这才符合常理，于是它就把冰点改为0度，沸点改为100度，这也就是现行的摄氏温标。

酒精或者水银温度计就是利用热胀冷缩的原理制成的，在不同的温度下，酒精或者水银的膨胀高度是不一样的，因此我们就有了定量测定温度的工具了。不过，早期测量温度都是利用热传递的方式，温度计必须与被测物体相接触。近年来，随着科学技术的发展，我们已经可以利用热辐射来测定温度了。比如，额温枪就是收集人体发出的红外辐射来测量体温。在天文学上，科学家们利用天体发出的光来测定它们的温度和组成元素。

我们知道温度在微观上是分子热运动的剧烈程度，但是光又不是分子，那么我们是如何利用光来测定温度的呢？

绝对零度

17世纪末，法国物理学家阿蒙顿发现空气的压强似乎与温度成正比。也就是说，当温度下降的时候，空气的压强就会下降。所以科学家发现，按照此规律推导，温度是不是会有一个下限，在这个温度下空气的压强变为零。一个多世纪之后，两位科学家提出了严格的气体定律：盖-吕萨克定律。一定质量的气体，在压强不变的情况下，气体的体积随温度呈线性变化。后来，他们测出了气体体积膨胀率为100/26666，并通过反推的方式得到了绝对零度。

不过，这个反推有点问题，因为在如此低的环境下，这些气体已经变成了液体或固体了，已经不符合标准气体定律了，那么这个绝对零度还准确吗？这个问题又过了很久，直到气体动理论的提出。温度是气体分子的平均动能的表征，当分子不动的时候，这时候的温度也就是绝对零度。但是绝对零度是永远达不到的，因为在微观层面上，原子的位置和动量是不能同时确定的，因此微观粒子的运动永远不可能停下来。

温度上限

既然温度有下限，那么温度有没有可能有上限呢？我们知道，在微观层面，温度是分子的平均动能的表征。理论上，分子的动能可能是无限大的，所以你可能会认为温度是没有上限的。有些人可能会提出分子的运动速度不能超光速，那么这不就是温度的上限了吗？需要注意的是，我们这里提到的是动能而不是速度，因此当分子速度接近光速的时候，还要考虑它的动质量，综合下来分子的动能也是趋于无限的。

那么温度真的没有上限了吗？我们知道在任何温度下的物体都会产生热辐射，温度越高，辐射的频率越大，波长越小。比如太阳表面的温度大概为5800开尔文，那么它辐射的电磁波基本上都是在可见光波段。太阳中心温度大概为2000万开尔文，如果按照黑体辐射定律的话，那么它辐射的电磁波就是波长较短的X射线了。那么，当波长短到一定的极限时，这个就是温度的上限了。

物理学中有一长度为普朗克长度，它的数值为1.616x10^-35米。当某一个尺度比普朗克长度还小的时候，它已经没有意义了。因此，当光的波长等于普朗克长度的时候，我们此时可以算出温度的上限为1.4168x10^32开尔文。

普朗克黑体辐射定律

黑体是物理学家假想出来的一种理想化的物体，它能够吸收所有的辐射并且不会有任何的反射和透射。物理学家以此作为标准来研究热辐射。

任何物质都具有不断发射、吸收和反射电磁波的能力。它们辐射出去的电磁波在各个波段是不同的，也就是说具有谱分布。这种谱分布与物体的温度有关。斯特藩-玻尔兹曼定律是热力学当中非常著名的公式，根据这个公式我们知道黑体表面辐射的能量密度与温度的四次方成正比。也就是说，温度越高，辐射的能量越大。

普朗克进一步将这些研究总结为黑体辐射定律。在任意温度下，黑体辐射的辐照率与频率之间存在着一定的关系。利用这个公式，我们可以从光谱中得到温度的信息。比如，我们可以利用光栅把太阳光分解成一系列不同波长的单色光，然后对这些光谱进行研究，就能知道太阳各个地方的温度了。毕竟，我们无法直接到太阳上直接进行测量。现在，这种方法已经成为天文学上的常规操作了。

黑洞的温度

测量黑洞温度的这个想法可能会让你觉得很奇怪，因为黑洞会吸收一切，连光都无法逃脱，如何能测量它的温度。事实上，黑洞温度的概念与霍金辐射有关。

由于量子的涨落，在宇宙空间中会出现虚粒子，最常见的就是光子。一般情况下，这些虚粒子是成对出现的，它们会快速相结合而湮灭。但是当这些虚粒子出现在黑洞视界附近的时候，其中一半会落入黑洞，另一半则会自由地逃往宇宙空间。当你探测到这些从黑洞逃逸出来的粒子时，你就能知道黑洞的温度了。

黑洞的温度与它的质量大小成反比。一个拥有太阳数百万倍的黑洞，它的温度接近于绝对零度。一个质量和太阳一样的黑洞，它的温度为0.00000006开尔文。宇宙微波背景是宇宙诞生早期残留下来的光，由此算出的宇宙温度只有2.7开尔文。目前已知的黑洞的温度都比宇宙微波背景来得低，因此黑洞吸收的能量比蒸发的要多。

天文学家正在寻找宇宙诞生初期的黑洞，它到现在已经蒸发得足够小，温度比宇宙微波背景高。因此，它将持续地蒸发，直到质量损失到一定程度时发生爆炸而消亡，这是天文学家能观测到的了。