太陽表面溫度高達5000度,為什麼太陽和地球之間的宇宙還是冷的?

2020-12-05 鍾銘聊科學

本文參加百家號科學#了不起的天文航天#系列徵文

什麼是熱,什麼是冷?

要搞清楚這個問題,我們要先搞清楚什麼是熱?什麼是冷?

可能你要回答的是,溫度高是熱,溫度低是冷。這其實等於啥也沒說。我們需要再往下去探究一層,實際上,現代物理學對於溫度有定義是:

系統中的熵對能量偏導數的倒數。

這其實讓人非常難以理解,但要解決這個問題還用不到這麼高冷的理論,僅僅需要經典物理學就夠用了。

在經典物理學中,溫度的表述是:

物體分子熱運動的劇烈程度。

這要如何理解呢?

我們都知道,萬物都是由分子和原子構成的,但分子和原子並不是固定不動的,而是在一定範圍裡亂動,這也被叫做分子的熱運動。

分子的動理論其實是通過布朗運動的理論確認的,也就是水面上花粉粒子會發生不規則運動,實際上是水分子的熱運動造成的。愛因斯坦在1905年發表了一篇論文,通過數學證明了布朗運動。

分子的熱運動就會越劇烈,溫度就會高。反過來,如果我們給一個物體加熱,實際上是讓構成它的分子的熱運動變得劇烈。

所以,從溫度的微觀解釋當中,我們至少可以知道一點,那就是要體現出溫度,至少要有足夠多的分子或者原子。

宇宙比想像中的還要空曠

很多人都有一個觀念:太空是絕對零度的。實際上,並非如此,太空非但不是絕對零度,反而很難體現出溫度來。實際上,從大尺度上看,太空有個溫度大概在2.72K左右的背景輻射,被我們叫做宇宙微波背景輻射,這是宇宙大爆炸時的餘熱,在宇宙大爆炸之後38萬年,開始在宇宙中穿行。

所以,理論上太空的溫度不應該是絕對零度,也就是0K,而是2.72K,其實也很低很低了。但是,如果你不幸沒穿任何保護措施被丟在了外太空,你會發現,根本不冷。

原因就在出現在了「真空」上。很多人都認為宇宙是「真空」的,實際上這並不完全準確,它只是極其接近「真空」,大概每平方米一個氫原子的密度。

具體計算方式是這樣的:

根據普朗克衛星發回來的最新數據,我們可以知道,宇宙中千分之六的精度上是平坦的。

基於此,我們可以通過宇宙學原理和廣義相對論,使用平坦空間的度規(就類似於坐標系),得到一個宇宙的密度公式:

其中H是哈勃常數,是可以從宇宙微波背景輻射中確定下來的。

如果哈勃常數H=70 km/s·Mpc,就可以得到一個宇宙的臨界密度ρ=0.9*10^(-29)g/cm^3,如果我們假設宇宙中的物質都是氫原子,宇宙臨界密度就大概是1立方米當中只有1個氫原子

而我們如今所測到的哈勃常數H=67.15 km/s·Mpc,因此現在的宇宙密度其實是非常接近於臨界密度的。

也就是說,太空中每平方米大概也就是一個氫原子的水平,所以這並不是絕對的「真空」,但已經比地球上能做出來的「真空」還要空。

這樣的空間其實是反應不出具體的溫度的,因為沒有足夠的分子的熱運動。太陽輻射出來的光子可以很順暢地穿過宇宙空間,很少遇到阻礙。

因此,這部分的宇宙空間根本也熱不起來。但是,當光子到底地球時,由於地球是大量分子和原子聚集的天體,是可以吸收這部分熱量的,同時也就會讓自身分子的熱運動加劇,宏觀上就是變熱了。

因此,我們最後來總結一下,經典物理學框架下,溫度的本質是分子熱運動的程度。而太空十分空曠,大概也就是一立方米只有一個氫原子的水平。因此,太空並不能夠太體現出溫度來,同時也不能夠吸收熱量來讓自身的分子熱運動加劇(因為壓根就沒有啥分子的存在)。因此,太空並不是冷,而是壓根體現不了溫度,同時也沒有辦法吸收太陽的熱。

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