太陽表面溫度大約是5500K,地球上的溫度也挺溫暖,但地球與太陽之間的太空給我們的感覺卻是非常寒冷的,無論是在《阿波羅13》中還是在科幻片比如《復仇者聯盟》中的烏木喉就是這樣領盒飯了,還有《異形》中被吸入太空的異形寶寶,那麼事實真的是這樣嗎?
在這個問題中最關鍵並不是溫度,而是溫度背後的本質,熱力學中的溫度定義物體微觀粒子的運動劇烈程度,從這個定義中我們了解到溫度必須有一個載體,它不介意是哪一種,但如果沒有載體的話,溫度就不能被定義!
布朗運動
1827年英國植物學家R. 布朗在觀測花粉顆粒在水溶液中作不停的無規律運動,進一步的福安測發現,其他懸浮在液體中的顆粒也會不停的運動,1877年J.德耳索首先指出布朗運動是顆粒受到液體分子碰撞的不平衡力所致,1904年法國科學家H.潘卡雷認為這是液體分子無規律熱運動表現
微觀粒子運動與溫度的關係
假設一個物體的最小粒子質量m以速度v運動,那麼整體表現的溫度為如下
T為絕對溫標,K為玻爾茲曼常數,那麼而質量知道了m和運動速度v,最終將可以求得這個物體表現出來的溫度。
而普朗克溫度就是這麼來,mp普朗克質量,為:2.176 51(13) × 10^-8千克,它是粒子的康普頓波長與其史瓦西半徑相比擬時的質量,即微觀粒子質量的上限。
普朗克溫度的本質就是可能最大的微觀粒子在光速運動時所表現出來的溫度,當然我們已知也沒有那麼大質量的基本粒子,也沒有達到光速運動的微觀粒子運動,所以對於人類來說這是一個不可能達到的溫度,但宇宙大爆炸時可以,在第一個普朗克時間內宇宙就達到了這個溫度,此後一路走低,一直到現在的微波背景輻射2.73K。
宇宙空無一物嗎?明顯不是,但它也不是到處都是物質,比如太陽和地球之間的太空,這些區域以我們宏觀的角度來看它是空無一物的,但它每立方釐米的原子數量約有數十個,甚至比本星際星雲密度的0.3個/立方釐米還要高一些。但這明顯不足以承載我們宏觀俗稱的溫度。
因此我們用可以用溫度來定義這片區域,但粒子太少,甚至我們可以忽略不計,那麼太空中確實非常寒冷是嗎?其實也不是這麼理解!
寒冷的感覺哪裡來的?
我們感到寒冷是因為身體的熱量正在通過某一種途徑快速散失,比如遊泳上岸時一陣風過來特別冷,這是因為身上的水分被風蒸髮帶走了大量的熱,或者冬天掉水裡,冰冷的水通過傳導帶走了身體的熱量,但如果赤膊掉到了太空裡,第一沒有風,因為沒空氣,第二沒有介質傳導,只有一種輻射降低體溫,而輻射降溫效率是比較低的,因此我們掉到太空裡並不會感覺寒冷!
為什麼有文章認為人掉到太空裡會結冰?
會結冰其實並沒說錯,但卻不是太空的低溫造成的,而是低壓,因為人體是含有大量水分的,在極低壓的條件下體液會沸騰,導致皮膚破裂蒸發失溫這是快速散熱的主要途徑,另外如果曬不到陽光的陰影處則會通過輻射慢慢降溫,所以會是冰火兩重天,曬到的位置猶如灼傷,曬不到的位置則慢慢結冰。
幸虧太陽和地球之間的微粒比較少,否則受到這些塵埃遮擋,地球獲得陽光將大幅減少,就像遮天蔽日的沙塵暴天氣,地球的日子可不是那麼好過。
已知宇宙中最冷的地方是回力棒星雲,這是一個擴散中的行星狀星雲,速度達到了150千米/秒
這個沙漏狀的結構長達3萬億千米,大約是2萬個天文單位,這是中心恆星死亡到了白矮星階段再也束縛不住外部氣殼時,物質流失所致,未來這個規模還將繼續擴大。根據阿塔卡馬毫米波/亞毫米波射電望遠鏡觀測,回力棒星雲的最低溫度大約只有-272.15℃,僅僅比絕對零度高出約1℃!
不過未來它將失掉這頂桂冠,因為它擴散快速擴散的氣體雲正在被附近的恆星所照射,這將讓它的溫度慢慢回升,最後至少將會達到2.73K。