第17章 绝对零度和宇宙的直径

温度到底是什么呢？它的本质又是什么？

从物理学来讲，温度就是衡量物体冷热程度的物理量，我们很容易感受到物体是冷还是热，所以，因此温度就是冷热的概念。

不过上面的描述是从宏观上来理解的，而从微观层面来讲，温度是衡量微观粒子运动剧烈程度的物理量，通常指的是分子。

也就是说，物体的温度其实就是分子的热运动产生的，运动越是剧烈，温度就越高。大量分子运动的平均动能的大小，就表现为温度的高低。

地球核心的温度可以达到6000度以上，不过这个温度与太阳核心温度相比，就是小儿科了。太阳的核心温度可以达到1500万度。但是，即便是这个温度，放在浩瀚宇宙里，也不值得一提，比太阳核心温度高的恒星有很多，因此，科学家们一度认为温度是没有上限的，总会存在更高的温度。

那么温度真的没有上限吗？

由于温度其实就是微观粒子运动快慢的直接体现，通俗来讲，温度的高低其实就是微观粒子的动能，也就是速度的快慢。

而爱因斯坦的狭义相对论告诉我们，速度并不是无限大的，速度是有上限的，这个上限就是光速，任何物体的速度都不可能超过光速，所以物体的温度并不能无限高。

通过计算，科学家们得出在宇宙中温度的上限是普朗克温度，它非常高，高得难以想象。但是普朗克温度是不可能出现在现实世界里，因为这个温度只发生在138亿年前的宇宙大爆炸，大爆炸的瞬间产生的温度就是普朗克温度。

根据宇宙大爆炸理论的诠释，138亿年前的宇宙大爆炸只是一个无限小的奇点，这个奇点没有体积，温度密度无限高。而普朗克温度就出现在大爆炸瞬间，也是宇宙中出现过的最高温度。

普朗克温度到底有多高呢？大约1.4亿亿亿亿度，你能想象如此高的温度吗？

那么宇宙的最低温度，即绝对零度又是多少呢？

绝对零度，也就是零下273.15度，是宇宙中的极限低温。

科学家早在几百年前就开始研究低温到底有多低。16世纪的物理学家阿蒙顿认为温度与气压成正比，而气压是有极限值的，所以温度有下限值，他计算出的极限值大约为零下246度。

后来，科学家们又有了新的发现，气体的压力和体积与温度息息相关。随着温度降低或者压力变大，气体的体积就会变小。科学家总结出来了一条规律，在压强固定的情况下，气体的温度每下降一度，气体体积就会缩小到零度体积的273分之一。

所以，零下273度也被认为是最低温，也就是绝对零度。不过根据热力学第三定律，无论如何都不可能达到绝对零度。

温度的本质其实就是微观粒子的热运动。理论上讲，当微观粒子完全静止时，体现出来的温度就是绝对零度。

但宇宙中存在绝对静止的物体吗？

量子力学告诉我们，微观粒子的状态是不确定的，我们无法同时确定粒子的速度和位置，只能用波函数来描述。

微观粒子的位置和速度遵循不确定性原理，两者的不确定性乘积必须不小于一个常数。这就意味着微观粒子的速度不可能为零，因为如果是零的话，就意味着粒子的速度就是确定的，不确定性就是零，这违反了不确定性原理。

而宇宙万物都是由微观粒子组成的，微观粒子不停地运动意味着物体的温度永远不可能达到绝对零度。

绝对零度，就像光速一样，光速是速度的极限，而绝对零度是宇宙中低温的极限，只能无限接近，但永远达不到，更不可能逾越。

 为什么138亿年宇宙的直径有920亿光年

如果按照宇宙大爆炸的假说宇宙是诞生于138亿年前，既然宇宙诞生时间知道了，那么我们能看到多远?你可能会想，在一个被光速限制的宇宙中，那将是138亿光年：宇宙的年龄乘以光速。

事实上，我们可以在所有方向上看的到460亿光年远，这个可见宇宙球，其总直径为920亿光年。

为什么会这样呢？

宇宙空间充满了物质，它会聚集成恒星、星系甚至更大的结构。它所产生的光都是以光速在真空中传播。而且，所有这些物质都能在太空中移动，这主要是由于不同的高密度区域相互吸引。

但也有一些额外的东西。就是空间本身在膨胀。当你看到一个遥远的星系，发现星系比正常更红了，一般的思考方式是该星系是红色的，因为它在远离我们，因此光线以同样的方式转移到长波(红)。

但是我们还要考虑到宇宙本身在膨胀，因为宇宙膨胀，空间结构延伸，在那个空间里的光波也可以看到它们的波长出现延伸!

你可能认为不可能把这两种效果区分开来。如果你能测量的是光线到达你的眼睛的波长，你怎么知道它是由于运动还是由于空间的结构?事实证明，红移(也就是波长)和观测到的星系亮度之间存在一种关系，这是距离的函数。在一个不膨胀的宇宙中，正如我们前面所提到的，我们能观测到的最大距离是宇宙年龄的两倍，即276亿光年。但是在我们今天的宇宙中，观测到的一些最遥远的星系，其中有许多已经在300亿光年之外。

那么在各个方向上我们能看到多远?如果宇宙中没有暗能量，那么最远的天体——恒星、星系、大爆炸留下的余辉等等——将被限制在414亿光年。(这一数字的相对论推导，即R = 3ct），但在一个暗能量的宇宙中，这被推向了一个更大的数字:我们宇宙拥有的观测到的暗能量有460亿光年。

狭义相对论和广义相对论预测宇宙膨胀的距离，只有广义相对论的预测与我们观察到的相符。

把这些都放在一起，这意味着我们可以看到的宇宙间的距离，从一个遥远的一端到另一端，是920亿光年。别忘了，它还在继续扩张!如果我们今天以光速离开，我们只能到达大约三分之一的路程，大约是它体积的3%。换句话说，由于宇宙的膨胀和暗能量的存在，即使我们以光速离开，97%的可观测宇宙已经无法到达。

宇宙本身正在膨胀，新的空间不断地在宇宙中的星系、群体和星团之间产生，它充满物质，辐射，暗能量，并遵循广义相对论的定律。