温度到底是什么？为什么高处不胜寒？为什么太空中温差极端？有比绝对零度更低的温度吗？高温有没有上限？我们来为你解开这些谜题。

登山者

高处不胜寒？

北宋大文学家苏轼在他的词中说“我欲乘风归去，又恐琼楼玉宇，高处不胜寒。”尽管此处有其它意涵，却也揭示了一种自然现象：海拔越高的地方，温度越低。

你也许知道，在地球上海拔每上升100米，气温大约会下降0.6℃。这个规律适用于距离海平面较近大气层的对流层，因为越靠近地表的区域温室气体的密度越大，更多的二氧化碳和水蒸气吸收和保留了更多的热量，并将热量向四周辐射。

实际上地球大气的温度受许多因素的影响，不仅仅是海拔。

标准大气模型中温度、密度与高度的关系

从NRLMSISE-00 标准大气模型中我们可以看出，在距离地面大约50千米和110千米的高空，空气的温度与地面接近，并不只是越往高处越冷。恰恰相反，在110千米以上的高空，越往上越热，在距离地面500~1000千米的高度，这里的气温竟然高达1500℃，因此这里被称为地球大气的热层。这是空气粒子被强烈太阳辐射加热造成的，由于在这个高度大气极其稀薄，隔着很远距离才有一个高能量的空气粒子，所以我们在这个高度上并不会感觉到有多么热，出舱工作的宇航员们也不至于被烤焦。

在400千米高空的宇航员

所有在国际空间站出舱工作的宇航员都会有一个共同的感受，那就是“冰火两重天”：他受到太阳照射的那一面温度高达121℃，而背阴面却低至-233℃。受益于舱外航天服优异的隔热和内部热循环系统，否则没有人能够在350多度的温差下生存，更不用说还要进行长时间高强度的工作了。

宇航员维修太空站受损的太阳能电池

太空中的温度是多少？

这是一个有趣的问题，它涉及温度的本质。事实上，在宇宙的真空里并没有温度，但如果你在那放一个温度计，就一定能测到温度。为什么会这样？

我们先来看一看物理课本里对于温度的定义：“温度是表示物体冷热程度的物理量，微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。”

一个蛋白质分子片段的振动与温度相关

严格地说，温度是表示可探测物质冷热程度的物理量，微观上来讲温度是由可探测物质粒子微观运动所引起的，这种微观运动的剧烈程度决定了物质温度的高低。

由此可见，温度与物质分不开，真空中没有物质，自然就不存在温度。但我们已知在真空中并非完全不存在物质，科学家们判断宇宙中物质总量的85%是暗物质，它们有可能填充着那些被定义为“真空”的区域，这些暗物质目前无法被探测到，我们无法测量它的温度。所以目前对于温度的定义仅限于可探测的物质，如果某一个区域空间中没有这些物质，我们就说这里没有温度。

温度计

在宇宙的真空中或许没有可探测的物质，但宇宙中无处不存在着辐射和波，无数的光子在空间中穿行，当它们遇到物质时，会撞击物质，从而改变物质的运动方式，使其能量发生改变。因此当我们将一个温度计放到真空中时，光子会轰击并将能量传递给它，使它的温度升高。

绝对零度不等于没有温度

科学家们认为绝对零度是宇宙中的最低温度，但绝对零度仅存在于理论上，宇宙中并没有发现温度为绝对零度的物质。

什么是绝对零度？

绝对零度通常标记为0开尔文（0 K=-273.15℃），它是理论上热力学的最低温度，在这个温度下，物质的动能和势能为0，它的内能也为0。事实上这样的物质并不存在，因为所有的物质都由原子构成，电子围绕着原子核运转，任何物质必然存有能量和热量，也不断进行相互转换而不消失，因此原子的内能不为0。根据经典热力学理论，绝对零度是不可能达到的最低温度，自然界的温度只能无限逼近0K，而不会等于0K。

0开尔文（−273.15°C）被定义为绝对零度

既然没有物质能达到绝对零度，那么0开尔文（-273.15℃）是如何得出来的呢？事实上，人们通过实验只能得到4.5×10⁻¹⁰K这个非常接近0 K的低温数值。绝对零度是通过“理想气体状态方程”推算得出的。

以三种不同气体样品的压力与温度的关系曲线推断出绝对零度

为了使温度的定义便于理解，我尽量少提及热力学的一个重要概念“熵”。在统计力学中，熵是一个热力学系统的广泛性质。你只需要知道当一个系统温度接近绝对零度时，几乎所有分子运动都停止并且ΔS = 0 ，其中S就是熵。这意味着系统处于热平衡状态，传热停止，并且物体的各个状态变量已经稳定下来，不再变化。

温度的极限在哪里？

通过前面的分析，你大概已经知道了物质温度是有极限的，目前已知的最低温度下限就是绝对零度。我们可以制作尽量接近0K这个绝对零度的超冷原子，比-273.15℃更低的温度是否存在？未来也许会有，这意味着突破现有的物理学理论。

高温有没有极限呢？也有。与绝对零度相对应，“绝对热”是热力学中最高温度标量的上限，目前这个最高温度被称为普朗克温度。

普朗克温度的值约为1.417×10³²开尔文，也就是亿亿亿亿度的样子。

最高的温度产生于宇宙大爆炸的一瞬间

普朗克认为如此高的温度只有在宇宙大爆炸发生时才会存在，在“奇点”发生爆炸的5.39×10⁻⁴⁴秒（一个普朗克时间）内，如此高的温度使粒子的能量变得极其巨大，熵膨胀产生了宇宙，所以它是不可复制的。我们不能通过人为的办法达到这一温度，即便未来人类能做到，也要小心为之，天知道会不会炸出一个新宇宙来呢？

总结：温度的实质是什么？

温度实质上就是衡量宇宙中可观测物质粒子热运动的一个标量。

温度是物质的，没有物质就不存在温度。真空中没有可观测的物质，因此真空没有温度。人们知道宇宙中存在大量暗物质和暗能量，由于我们无法观测它们，因此暗物质没有温度。

回旋镖星云物质的最低温度仅有1K

绝对零度并不是没有温度。绝对零度是指物质粒子不再热运动，它的内能为0，其系统的熵等于0。从物理学的角度认为宇宙中并不存在绝对零度的物体，人们在宇宙中探测到回旋镖星云的最低温度为1开尔文，而在实验室里人们可以得到十亿分之一开尔文的极低温度，却始终无法得到真正0K的物体，这是因为一切物质都处于运动之中，因此一切物质也自然拥有温度。

温度是有

限的，温度的限就是-273.15摄氏度，也就是我们通常所说的绝对零度。

温度为什么会有限呢？因为温度的本质就是运动，代表的是微观粒子热运动的剧烈程度，换一种通俗的说法来讲，就是运动的速度越快，则温度越高，反而运动速度越慢，则温度越低。

然而无论微观粒子运动的速度多么缓慢，它终究是无法静止下来的，因为宇宙中并不存在绝对静止的参考系，所以也就不存在绝对静止的事物。如果粒子的运动可以停下来，那么我们也就能够同时测得粒子的位置以及它的动量，这严重违背了量子力学中的不确定性原理。既然粒子的运动永不停止，所以绝对零度也就不可能实现，因为绝对零度就代表了绝对静止，所以绝对零度也就成为了温度不可逾越也无法达到的限。

温度既然有限，是不是也存在着上

呢？

很多人认为温度的上就是普朗克温度，也就是1.416833（85）X10∧32K，K表示开尔文，是国际温标，如果你对这个单位比较陌生，可以将其简单理解为从绝对零度开始计数的摄氏度。

将普朗克温度看作是温度的上，其实是一种错误的理解，或者说是一种不够准确的理解。普朗克温度是怎么来的呢？当一个物体温度升高的同时，它的辐射波长会相应变短，当物体达到某一温度时，它的波长会小于普朗克长度，也就是1.6X10∧-35米，此时便失去了物理意义，而这个温度就被称之为普朗克温度。物体的温度一旦超越了普朗克温度，便丧失了物理意义，现有的物理理论将全部失效，但这并不意味着普朗克温度就是理论上的温度上。

要寻找理论上的温度上，我们还是要回到温度的本质上来，温度的本质就是微观粒子热运动的剧烈程度。

粒子的运动速度越快，则物体的温度越高，那么粒子的运动速度是否有上限呢？有，那就是光速。光速是宇宙间最快的速度，任何有质量的物体都无法达到光速，而大多数微观粒子都是具有质量的，所以它们永远也不可能达到光速，如此说来，粒子光速运动所能够达到的温度就是温度的上限了？可以这么说，只不过这个上限并不像限那样是一个确定的数字，对于这个上只能够用三个字来表示，那就是“无穷大”。

任何具有静止质量的物质，随着速度的增加，质量和动能也会随之增加，随着运动速度趋近于光速时，质量和动能将变为无穷大，这也就是光速无法达到的原因。

动能变为无穷大也就意味着物质的温度变为无穷大，从这个角度上来讲，温度是不存在理论上限的，它的理论上限就是无穷大，只不过当温度超过普朗克温度的时候，物质的物理意义也就不复存在了。

在现实之中，自宇宙诞生以来，除了宇宙诞生后的一瞬之间，没有任何时刻任何物质的温度可以达到普朗克温度。那么现在宇宙间最高的温度到底是多少呢？在生活中，我们很难接触到真正的高温，在我们的常识中，火焰就代表了高温，但实际上纸张燃烧的温度也不过200摄氏度而已，就算是烧煤的炉火也不过800度上下。然而在地球之外，高温的物质比比皆是，远的不说，就说太阳吧。地球生命所需的全部能量皆来自于太阳，而太阳的温度有多高呢？

太阳表面的温度可以达到5500度以上，而在太阳的中心则是1600万度的高温。

当然，太阳并不是宇宙中最为炽热的天体，宇宙中存在着很多比太阳更为巨大且炽热的恒星，还有着如白矮星或中子星一般致密的天体，在中子星的中心，温度甚至超过了10亿度。不过这样的高温并不足以让现在的人类感到惊讶，因为人类已经可以制造出更高的温度。

在实验室中，人类利用大型强子对撞机可以制造出令中子星也为止震颤的高温，通过用高能质子猛烈撞击重原子核，10万亿度的高温会在这一过程中产生。在如此高温的环境之下，基本粒子会进一步分解成为夸克，在常温下，夸克无法独立存在，但在10万亿度的高温之下，夸克便不再受到约束，它会形成一种极为致密的东西，物理学家们将其称为夸克汤。