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宇宙中最低温零下273.15度,绝对零度为何不能被突破?

来源:网络 编辑:小彩 更新:2026-10-06

日常生活中,温度有高有低,在我们看来这很正常。

但是这并不意味着温度可以无限高或者无限低。

很多人都知道,宇宙中存在极限低温,绝对零度,零下273.15度,它也是理论上的最低温,现实中无法达到这个温度。

为什么会这样?

首先,我们需要明白温度到底是什么。

物理学上,温度是这样定义:衡量物体冷热程度的物理量,不过这样的定义显然有些抽象,并没有表达出温度的本质。

我们可以从微观上理解温度:微观粒子运动的剧烈程度,就可以表现出温度。

微观粒子运动速度越快,越剧烈,宏观物体的温度就越高。

地球上的最高温在地核,温度能达到6000度。

而太阳系的最高温位于太阳核心,温度高达1500万度。

不过,太阳系的最高温在宇宙中也是小儿科了,像中子星的温度就可以达到上亿度,无法想象的高。

不过,高温也是有上限的,因为速度是有上限的,那就是光速。

爱因斯坦相对论表明,物体的极限速度就是光速,所以高温并不能无限高。

结合光速,普朗克常数等因素,科学家们计算出宇宙中的最高温是普朗克温度,大约1.4亿亿亿亿度,这个温度只出现过一次,就是在宇宙大爆炸瞬间。

所以如果你能创造出普朗克温度的环境,理论上就能创造出新的宇宙。

普朗克温度是理论上的高温极限,那么绝对零度为何是理论上的低温极限呢?

刚才说了,温度与微观粒子的速度快慢息息相关,所以,单纯从理论上讲,如果微观粒子处于静止状态时,物体的温度就是绝对零度。

但微观粒子能处于绝对静止状态吗?

从宏观角度来讲,理论上是可以静止的。

但量子力学的横空出世,让人类意识到微观粒子是不可能绝对静止的,因为量子力学意味着不确定性,不确定性才是量子世界的核心。

何为不确定性?

通俗来讲,我们无法确定微观粒子的状态,只能用概率去描述,也就是所谓的“波函数”,微观粒子表现得像波那样。

用数学公式来表述就是,微观粒子的位置和速度具有不确定性,两者不确定性的乘积必须不小于一个常数,这个常数虽然很小,但比零要大。

如果微观粒子是静止的,也就是速度为零,意味着粒子的速度就是确定的,不确定性为零,这样就违反了不确定性。

所以说,理论上的最低温绝对零度永远无法达到,只能尽可能接近。

这个特点与光速的特性其实是样的,宇宙的极限速度是光速,我们只能尽可能接近光速,而无法达到或者超过光速。

虽然科学家早就知道了无法突破绝对零度,但还是希望通过实验来验证这一点,同时也希望在超低温环境下有新的发现。

通过人类现代科技,科学家也确实创造出了无限接近绝对零度的温度,只比绝对零度高了38万亿分之一度!

但正所谓“差之毫厘失之千里”,这句话在这里再适合不过了。

不要小看那看似微不足道的差异,其实那是人类永远无法突破的鸿沟,绝不是通过努力等手段能弥补那种差异的!

不过,在超低温环境下,科学家确实发现了很多有趣的现象,比如说超导现象,超流现象等,这些现象早已应用在很多领域,比如说能量,电子,交通,医疗等领域,很大程度上推动了人类科技的发展。

量子信息+熵,能解释宇宙的演化吗

热力学第二定律,也许是物理里最根本的几条原理之一。

它说,一个系统的熵只会随时间增加,不会减少。

这也是唯一一条能指明"时间箭头"朝哪走的物理定律。

熵,说白了就是无序的程度:熵越低,结构越有序;熵越高,越散乱。

糖从浓处向淡处扩散、气体膨胀、咖啡放凉,背后都是熵在增加。

人们相信,宇宙的演化也遵循这条定律。

宇宙早年处于低熵状态,一路演化到高熵。

可就在这个过程中,宇宙造出了一些极其复杂的结构——星系就是代表。

星系的熵很低,却是在一个高熵的环境里形成的。

这看起来像是在违反第二定律。

这个存在已久的矛盾,正是物理学家金妮斯特拉·比安科尼想解决的难题。

引力、熵与量子信息的交织,是比安科尼理论的视觉主题(图片来源:Physics World) 在爱因斯坦的广义相对论里,有个叫"度规"的数学对象,描述时空是怎么弯曲的;物质沿着这条弯曲走,就表现成了引力。

而在量子力学里,"算符"是对量子态做变换的数学工具。

比安科尼的关键一步,就是把这个"度规"当成量子算符来用,用量子化的方式描述时空的几何。

这样一来,会冒出两个"度规":一个是"真实"的时空度规,一个是由物质和能量诱导出来的度规。

两者之间"差多少",用量子信息论里的一个量来度量,叫量子相对熵。

正是这两个几何之间的量子相对熵,决定了时空怎么演化——换句话说,它给出的运动方程,就是引力。

在低曲率极限下,这套方程能精确还原爱因斯坦的广义相对论。

可一旦超出这个极限,方程就得被一个叫"G场"的对象修正。

G场生出一个暗能量项,而且是动态的。

暗能量被认为是直接推动宇宙膨胀的东西;在标准广义相对论里,它由静态的宇宙学常数驱动。

现在冒出一个动态的暗能量项,就有了被实验检验的机会。

比安科尼又把这套理论用到了弗里德曼-罗伯逊-沃克(FRW)宇宙模型上。

这是广义相对论对宇宙行为的一级近似,假设宇宙各向同性、处处均匀、且在膨胀。

膨胀由宇宙的主导成分驱动——暗物质、普通物质,或辐射。

宇宙膨胀时,体积变大,总熵也跟着变大。

但正因为体积涨得更快,单位体积里的熵——也就是熵密度——反而随时间下降。

总熵在涨,局部熵密度却在降,这就给了星系、甚至生命这类低熵结构一个在膨胀宇宙里被造出来的机制。

那这算不算违反第二定律?比安科尼用非空的 FRW 宇宙算了一遍总熵:要把熵密度在整个时空区域上积分,而因为体积随时间变大,总熵成了时间的函数——膨胀的速度超过了熵密度衰减的速度。

所以对辐射主导和物质主导的宇宙,总熵依然随时间增加,第二定律照样成立,尽管局部熵密度在下降。

比安科尼强调,GfE 理论还很年轻,需要实验来验证。

但这项工作揭示了它内在的热力学本质,为经典引力与量子引力都打开了新路——把引力用"量子信息"和"熵"来表述,也许正是通向"量子化引力"这个百年难题的另一条路径。

引力,也许并不是什么神秘的基本力,而只是信息与熵的必然结果。

若真如此,宇宙为什么要演化、为什么能长出星系和生命,答案也许就藏在这条最普通的第二定律里。

来源:S. Jones, "Could quantum information theory explain universe evolution?" Physics World, 14 Sep 2026. 报道所引研究:G. Bianconi, Physical Review D.

追踪13.4万亿个暗物质!百亿亿次超算用4天完成这场模拟

科技日报记者 刘霞 美国能源部阿贡国家实验室日前发布消息称,该机构科学家借助“极光”百亿亿次超级计算机,完成了迄今规模最大的两次宇宙学模拟。

每次模拟都追踪了13.4万亿个暗物质粒子在286亿光年宽度区域内的演化过程。

这一成果有助于科学家研究宇宙暴胀,并为分析大型巡天观测数据提供重要支撑。

左图为百亿亿次级模拟生成的全天空光锥图;右图外圈显示宇宙微波背景辐射,扇区分别展示视线速度(红/蓝)、物质密度(灰)和引力势(绿/蓝)。

图片来源: 美国阿贡国家实验室 宇宙暴胀理论认为,极早期宇宙曾经历一段短暂而剧烈的快速膨胀。

这一过程将微观量子涨落拉伸到宇宙尺度,留下微小的密度差异;随后,引力把这些差异不断放大,最终形成我们今天看到的星系、星系团和宇宙大尺度结构。

然而,暴胀背后的具体物理机制仍未完全确定。

通过研究物质在宇宙中的分布,有望找到更多线索,探索宇宙最早期的秘密。

暗物质无法被望远镜直接看见,却凭借引力主导星系形成,并塑造更大尺度的宇宙结构。

在模拟中,暗物质粒子被用作暗物质密度和速度分布的“示踪剂”,团队由此得以追踪宇宙结构跨越数十亿年的演化轨迹。

标准宇宙暴胀模型预测,早期宇宙的密度涨落服从高斯分布,也就是最简单的一类随机模式。

科学家正努力寻找其中可能存在的微小偏差,即“原始非高斯性”。

一旦发现可测量的偏差,就可能暗示暴胀时期还存在其他场、相互作用或动力学过程,从而帮助区分关于宇宙最初时刻的不同理论。

然而,这类信号极其微弱,还可能被“宇宙方差”掩盖——由于观测只能采样宇宙的有限体积,统计不确定性难以完全消除。

因此,探测此类信号需要覆盖最大宇宙尺度的超大规模模拟。

而如此规模的模拟对算力要求极高。

团队在阿贡国家实验室的“极光”超级计算机上完成了计算。

模拟及大部分数据分析约4天完成,目标正是揭示宇宙暴胀的物理本质。

这些模拟数据将助力分析多项大型巡天项目,包括美国能源部支持的暗能量光谱仪(DESI)和NASA的SPHEREx任务,两者目前均处于数据采集阶段。

模拟与前沿观测相互印证,将共同描绘出更为精细的宇宙图景,推动人类对宇宙起源与演化的探索。

来源:科技日报