科普來了 | 入秋後涼意襲來 你知道宇宙中最低溫度是多少嗎

初入九月，部分地區已經開始逐漸變涼。地球上的溫度變化萬千，宇宙中不同天體的溫度又如何？

就人們的直觀感受而言，溫度就是物體的冷熱程度。從微觀層面看，物質都是由分子或原子組成，這些分子永不停息地做著無規則運動。雖然我們看不見分子的運動，但用手觸摸時能感受到物體的冷熱，其實就是分子熱運動劇烈程度的體現——分子平均熱運動動能大的溫度就高，反之溫度就低。

日常生活中，人們發明了各式各樣的溫度計來測量溫度。而對遙遠的宇宙天體，我們怎麼知道它的溫度呢？

不同顏色代表不同溫度

不同波長的光呈現出不同的顏色，藍光的波長較短，紅光的波長較長。早在戰國時期，《考工記》就記載著「黃白之氣竭，青白次之；青白之氣竭，青氣次之，然後可鑄也」，即隨著溫度的升高，火焰會呈現出不同的顏色，到「爐火純青」的時候溫度最高。

恆星的發光機制和爐火不同，但顏色與溫度之間也存在著相關性。溫度越低的恆星，顏色越偏紅，例如紅矮星表面只有兩三千攝氏度，比鄰星就是如此；溫度越高的恆星，顏色越偏藍，例如藍超巨星的表面可達數萬攝氏度。

通過光譜測量，天文學家能夠知道恆星在不同波長上輻射的光線強度，並且按波長畫出輻射強度的分布曲線。一般來說，曲線的峰值波長（也就是輻射強度最大處的波長）決定了恆星的顏色。例如，太陽輻射的波峰在555納米，為黃色。不同溫度的恆星具有不同的峰值波長和分布曲線，從熱輻射規律就能推算出它的表面溫度，我們稱之為有效溫度。天體中還存在非熱輻射過程，例如星系團內熱氣體的熱韌致輻射，它們的溫度可以用其他方法獲得。

恆星中心的溫度要比表面高得多，是宇宙中最熱的地方之一。我們地球內部的溫度大約為6200開爾文（以下簡稱開），比太陽表面溫度（5800開）略高一點，但是太陽內部的溫度高達1500萬開。質量最大、燃燒最快的恆星，核心溫度可達2億開以上。可與之相比的，是星系團中在各個星系之間瀰漫著的熱氣體。它們往往具有幾千萬甚至上億開的高溫，產生如此高溫的原因可能是被星系中心超大質量黑洞的噴流和星系風等加熱。

除此之外，當天體爆發和碰撞時，也可以達到更高的瞬時溫度。例如大質量恆星死亡時爆發成為超新星，中心和膨脹殼層的溫度可達到數百億開。中子星碰撞的瞬間，外層溫度更可高至幾千億開！宇宙中最重的元素，例如金、鍶、鈾等，就是在這些極高溫過程中產生的。

人類創造的最高溫度，是2012年歐洲的大型強子對撞機撞出的5萬億開超高溫。雖然只有一瞬間，但已經非常驚人了。今年4月，我國的「人造太陽」——「東方超環」首次實現1億攝氏度運行近10秒。

地球5000光年外溫度接近絕對零度

宇宙中的溫度最高能達到多少呢？按照現有理論，宇宙中的最高溫度被稱為普朗克溫度：超過1032開，即1億億億億開。它是最重的微觀粒子以光速運動時所表現出來的溫度，是正常物理過程不可能達到的溫度上限，或許只存在於宇宙大爆炸的那一瞬間。

理論上最低的溫度是絕對零度，也就是0開爾文，即零下273.15攝氏度。當分子的熱運動不斷減弱時，物體溫度就會不斷降低，分子完全靜止不動時，溫度就達到了最低，被稱為絕對零度。不過根據量子力學的不確定性原理，分子的運動不可能完全靜止下來，所以絕對零度實際上是不可能實現的。在實驗室裡，物理學家通過雷射冷卻和磁冷卻手段，可以將稀薄的原子氣體冷卻到絕對零度以上約十億分之一開。2018年國際空間站上的冷原子實驗室甚至將冷原子降溫到了百億分之一開！此時原子移動非常緩慢，可以用來研究超冷原子的特異量子特性。

宇宙中已知的最低溫地區，是距離我們5000光年的半人馬座旋鏢星雲（Boomerang nebula）中心附近，那裡的溫度僅為1開左右。這可能是因為其存在一顆伴星，使得它外層物質的拋射速度達到了正常值的10倍，將溫度降至極值。當然這一低溫只是暫時的，它最終將升至和宇宙微波背景輻射等溫。

有很多文章都提到，太空中每立方釐米最多只有幾個粒子，基本上就是真空，在這裡溫度這一概念也就失去了意義。那麼假如我們把一個理想的溫度計放入太空，讀數會是多少呢？沒人做過這個實驗，所以還沒有確切答案。不過我們可以根據已知的事實和規律做個推斷。

在恆星之間廣袤的星際空間裡，遍布著稀薄的星際氣體和塵埃。它們的數密度極低，像地球體積這麼大的範圍內，所有的星際介質攏在一起還不如一個骰子大。所以幾乎不會有星際介質微粒和溫度計發生碰撞並傳遞能量，溫度計永遠也測不出這些粒子的溫度。但是溫度計自身也是由大量微觀粒子組成的，也會輻射電磁波並損失熱量。它的溫度會慢慢降低，直到最後和宇宙微波背景輻射達到平衡，定格在2.73開。宇宙微波背景，是宇宙大爆炸早期誕生的高能光子，隨著宇宙的膨脹和冷卻，這些光子現在已經被拉長到了微波波段（波長在0.3—75釐米之間），成為遍布整個宇宙的「背景輻射」。和測量恆星的表面溫度類似，人們測出了背景輻射的光譜分布曲線，求得它的溫度為2.73開。

宇宙微波背景輻射無處不在，在遠離恆星等熱源的宇宙空間中，它的溫度可以視作空間本身的溫度。空間中的其他粒子，例如星系團內的熱氣體等，可以具有極高的運動速度，以溫度衡量其能量的話，可以高達上億開。可見同一片空間中，極低溫與極高溫是同時共存的，可謂名副其實的「冰火兩重天」。當然我們需要從微觀粒子能量的角度來看待這裡所謂的溫度，也不會像觸摸宏觀物體一樣感受到它們的冷和熱。如果把一個小鐵塊放到這樣的空間中，它並不會被融化乃至氣化。實際上基本沒有粒子會撞上鐵塊，它只會緩慢地通過熱輻射降溫至2.73開，那些稀薄的高溫氣體對它毫無影響。

資料來源：科技日報

編輯：陳嘉宜 校對：柳揚