温度物理学:下限只有-273.15℃,上限却高达1.4亿亿亿亿度?

温度的上限是1.416808(33)×10^32K,也就是1.4亿亿亿亿摄氏度,被称为普朗克温度。 下限代表所有微观粒子都停止运动,上限代表所有微观粒子都以光速运动。 但不论是上限还是下限,人类科学家都无法实现。

物理学中,绝对零度指的是-273.15℃,同时也是现有理论中“温度的下限”。

近几个世纪以来,无数科学家都想人工产生绝对零度,但就像人类无法真正达到光速,只能无限接近它一样,向绝对零度发起的一次次冲锋,也只是把小数点往后推了几位而已。

随着和绝对零度的距离越来越近,物理学家们冲刺的脚步也被迫放缓了下来,最近一次朝绝对零度发起的“短距冲刺”,是中国科学院物理研究所的无液氦稀释制冷机完成的,创造了10mK(绝对零度以上0.01度)以下的极低温运行记录。

这么低的温度有什么用?

依托于科技的进步,现如今向绝对零度发起的冲刺,已经不再是过去那样单纯为了数值。我国此次研制的无液氦稀释制冷机,未来在凝聚态物理,材料科学,甚至是天文学上都能发挥作用。而它在商业领域的最大用途,就是冷却量子计算机的芯片,让其能长期保持量子态而不发热,最终完成计算过程。

量子计算机作为人类目前理论中最强大的计算机,拥有传统结构计算机无法比拟的优势,尽管目前量子计算机还只能在特定问题上碾压传统超算,但随着量子技术的不断进步,尤其是制冷和散热技术的进步,未来以量子叠加态为运算基础的量子计算机,必将实现体积的缩小和算力的爆炸式跃升,就像当年占地几百平方米,重达上百吨的原始计算机,逐渐演化成今天人们掌中的手机一样。

告别卡脖子

如今各国想要研制量子计算机,就必须想办法给满负荷运转的量子芯片降温,而这种降温设备和技术以往被西方国家把持着,因此他们才会先搞出量子计算机。我国研制量子计算机用的稀释制冷机之前完全依赖进口,属于和高端芯片一样被卡脖子的技术。

中科院物理所在6月24日晚,让自主研发的无液氦稀释制冷机原型机,成功实现了10.9mK(零下273.1391度,即绝对零度以上0.0109度)的稳定运行,这意味着稳定低温制冷技术从此被我国攻克,而我国目前已经研制出的“九章”量子计算机,未来也将借助这些新的制冷设备,进一步增强性能。

温度的本质

抛开日常生活中人体能感知到的温度范围不谈,在物理学上温度的下限是0k,也就是-273.15℃,被称为绝对零度。

温度的上限是1.416808(33)×10^32K,也就是1.4亿亿亿亿摄氏度,被称为普朗克温度。

下限代表所有微观粒子都停止运动,上限代表所有微观粒子都以光速运动。

但不论是上限还是下限,人类科学家都无法实现。

宇宙的底线

因为根据量子力学相关的理论,具备量子态的微观粒子们一直处在”概率云“的状态中,无法被精确定位和操控,所以想让所有微观粒子都停止运动是不可能的,绝对零度也因此无法实现。

作为宇宙中速度的上限,静止质量不为0的物体在向光速逼近的过程中,自身质量会膨胀成无限大,而后就需要无限大的能量去推动它,进一步向光速逼近,但无限能量很明显是不存在的,所以具备静止质量的粒子们,只能无限接近光速而不能达到光速。因为无法达到光速,所以和”最高温度“也就无缘了。

迄今为止,代表温度上限的普朗克温度只在一个时刻出现过,那就是138.2亿年前宇宙大爆炸的那一瞬间,之后随着宇宙的暴涨和冷却,普朗克温度再也没出现过。

人类文明一直在发现宇宙规律,并利用宇宙规律来改变宇宙本身,但绝对零度和普朗克温度的存在,或许就代表宇宙的底线,人类只能在底线允许的范围内”大展拳脚“,科技发展终究还是不能让人类为所欲为。

来源:宇宙观察记录

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