進入外太空必備知識之溫度篇!看看外太空各不相同的宇宙溫度吧!

2020-12-05 天文在線

本文參加百家號 #科學了不起# 天文航天系列徵文賽。

外太空的溫度是2.73開爾文(零下270.42攝氏度,零下454.75華氏度)。這個其實是放射到整個宇宙四處的宇宙微波背景輻射的溫度。

圖解 :根據WMAP對宇宙微波背景輻射的觀測所繪製的圖像。

太空深不可測空無一人,還有比它更理想的旅遊目的地嗎?雖然它有著應有盡有的……虛無。不過如果真有機會去一趟,你都需要帶上什麼?地球上最冷的城市是俄羅斯的雅庫茨克,年平均溫度大致為零下50攝氏度(零下58華氏度)。好像已經夠冷了是吧?外太空比這還要冷些,所以千萬別忘了多帶一件外婆織給你的毛衣……

當然啦,因為太空船裡會對溫度進行熱控制,你要是沒打算不穿太空服出艙門,也不用太擔心太空的極寒。要是沒有熱控制,後果真是不敢想像。

打個比方。國際太空站向陽那一面的溫度,差不多能達到121攝氏度(250華氏度)的高溫,這時候背面可以降至凍死人的零下157攝氏度(零下250華氏度)。感謝老天我們有空氣調節系統。話說回來,在我們回答問題之前,有點兒事兒你得知道……

太空其實沒有溫度

一方面「溫度」基本上是衡量身體冷暖的主要方法,另一方面「熱量」是人體內分子的總動能。本質上來說溫度是身體的平均熱量。然而在真空狀態下,太空裡的物質密度要低至每立方米1原子,與地球大氣的每立方米1021原子形成鮮明對比。

圖解:外太空並非完全真空的空間

因為外太空中的粒子實在是太少了,測量真空的溫度幾乎沒什麼意義。不過我們還是會一步一個腳印慢慢探索,試著讓外太空的溫度測量變得精確。

太空能有多冷?

宇宙中可能出現的最低溫度有個不詳又科幻的名字——絕對零度。絕對零度的數值是零下273.15攝氏度(459.67華氏度),或者更簡單一點,0開爾文。從物理上來說,物質是不可能達到這個溫度的。因為分子裡的所有動能在絕對零度時就不存在了,也沒辦法再產生更多的熱量。

圖解:絕對零度是熱力學的最低溫度,是粒子動能低到量子力學最低點時物質的溫度。絕對零度是僅存於理論的下限值,其熱力學溫標寫成K,等於攝氏溫標零下273.15度(即273.15℃)。

從理論上講,要達到這個溫度是不可能的。因為量子力學在絕對零度時就開始蠢蠢欲動要做壞事了。我們決定置之不理,這還要怪那些有關漢森堡原理的複雜反應。

太空有多少度?

想像一下,我們把一個非常精確的溫度計拿到太空裡,周圍四處環繞著氣體,灰塵和被離子化的太陽粒子(也就是「太陽風」)。但這些粒子之間遠得有些離譜,你的溫度計只能碰到極少數(如果能碰上的話)。就算它們相遇了,這些粒子的溫度也會很低,而且也檢測不到粒子間的真空和重子物質的巨洞。慢慢地,你的溫度計開始散射熱量,上面顯示的溫度開始不斷降低,一直降到2.73開爾文(零下270.42攝氏度,零下454.75華氏度),也就是宇宙微波背景輻射的溫度。

圖解:太陽風作用下的地球磁場藝術想像圖

宇宙微波背景輻射的溫度是歷史上最大的爆炸——宇宙大爆炸的殘留物。除了創造了時間和空間,大爆炸產生的光子直到今天還在擴張著宇宙,輕微地幹擾著無線電,加熱著像我們這些好奇科學家的溫度計。在地球的實驗室裡,達到更低的溫度是有可能的,但在遙遠的太空裡,無處不在的放射產生的持續波動創造了一種宇宙平均溫度。總而言之,我們可以認為太空的平均溫度是2.73開爾文。所以……感謝大爆炸在138億年後依然溫暖著我們的心(和溫度計)。

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3. 張禾鬥-sciabc

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