創造五萬億度超高溫,測量出宇宙溫度,這些大事你都知道嗎

2021-01-11 旅行無意

今年的四月份,我國的「人造太陽——世界首個全超導託卡馬克「東方超環(EAST)」首次實現了1億攝氏度運行10秒。

2012年,歐洲的大型強子對撞機在一瞬間撞出了接近5萬億攝氏度的超高溫,也是人類創造出的最高溫,雖然只是一瞬間,也非常驚人。

今日白露,到了九月份,全國的好些地方已經能感受到天氣變涼了。溫度隨著季節的更替而變化,不同於春季的和煦、夏日的燥熱,秋季的冷風略顯蕭瑟。地球的溫度難以捉摸,特別是這季節交替的時候,時冷時熱,溫差較大,連權威的天氣預報也不敢保證是風還是雨,是晴天還是陰天,一些不注意的人又該感冒了。

我們地球的溫度變化萬千,宇宙中不同天體的溫度又會怎樣?溫度給我們最直觀的感受就是天氣的變化,是開空調和不開空調的區別。實際上這些從科學角度看就是分子運動的結果,或者是原子。分子運動得越快,溫度就越高,反之溫度變低。我們有多種辦法測量空氣的溫度或者水溫,但是我們怎麼去測量宇宙中的天體?

不同顏色代表不同溫度。我們都知道一個鐵塊加熱之後會變成紅色,「爐火純青」一詞中的「青」表述的也是較高的溫度。其實不同的顏色代表不同的微波,不同的波長又呈現了不同的顏色。宇宙中的天體也是如此,不同溫度的天體會呈現出不同的顏色,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;溫度越高的恆星,顏色越偏藍,例如藍超巨星表面高達數萬攝氏度。

恆星中心的溫度比表面溫度高很多。地球內部大約是6000攝氏度高溫,而太陽的表面才是5600攝氏度左右,但是太陽內部可以達到1500萬攝氏度。除此之外,天體爆發和碰撞時可以產生更高的溫度,例如大質量的恆星死亡時爆發成為超新星,可以達到數百億攝氏度的高溫,金、鈾、等宇宙中最重要的元素就是在這種極高溫的狀態下產生。

可能有一個不可思議的數字,宇宙中最高的溫度,又被稱為普朗克溫度,代表的是宇宙大爆炸一瞬間的溫度,基本等於1億億億億攝氏度。最低的溫度被稱為絕對零度,差不多是-273.15 攝氏度,地球上5000光年外的外的溫度接近絕對零度。當運動的分子靜止不動時,溫度就達到了最低。

根據量子力學的不確定性原理,分子的運動不可能完全停下,也就是不可能存在絕對零度。物理學家在實驗室裡通過雷射冷卻和磁冷卻的手段,將稀薄的原子氣體冷卻到十億分之一開,無限的接近-273.15 攝氏度。距離我們5000光年的人馬座旋鏢星雲中心附近,溫度達到-272.15 攝氏度。

真空有溫度嗎?我們常說的真空,大約就是粒子數量很少的太空,目前為止,還沒有人測量過真空的溫度。在真空中,粒子數量過於稀少,一個地球體積那麼大的真空範圍,粒子攏在一起還不如一個骰子大,溫度計放在這裡基本上不會接觸到任何的物質,也就無法讀出真空的溫度。

那麼宇宙的溫度到底是多少?1965年的某一天,彭齊亞斯與比他小三歲的同事威爾遜在公司值班。兩位年輕的科學家在爬上一個巨大的天線時聽到了一種背景噪音,就像信號不好時的靜電噪聲。彭齊亞斯與威爾遜在檢查過設備後發現並無異常。之後兩位科學家發現這些噪音實際上是宇宙微波背景輻射。通過光譜測量,天文學家知道這個微波的溫度是-270.42 攝氏度。

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」。

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  • 科學家們如何測量出宇宙深空最高和最低溫度?
    「K」是熱力學溫標,又叫絕對溫標,全世界所有各種溫標都是以這個為標準換算的。我們中國通行攝氏溫標,攝氏度℃溫標與K對應為,-273.15℃=0 K,0℃=273.15K。在攝氏度0℃以上時,如果以熱力學溫標計數,只要減掉273.15度,就是攝氏度。而在宇宙很高溫度下,比如萬度乃至億度時,這種差別完全可以忽略不計,因為宇宙測得的極高溫度本身也是有誤差的,而且不止幾百度誤差。
  • 宇宙中天體溫度為什麼會那麼高?這些高溫都是怎麼來的?
    太陽溫度是無法直接測量的,有朋友認為可以用凸透鏡聚焦太陽光來測量焦點的溫度,事實上假如太陽比較遠,那麼這個方法根本就不靈光,比如你用來測量星星的溫度試試?,需要去套用曲線,當然這些都沒問題,你喜歡哪個就用哪個!
  • 核聚變反應需要上億度高溫?怎麼測量?溫度到底是什麼?
    我國的EAST託卡馬克裝置,曾在2018年,已經實現一億度的高溫等離子體放電。而目前全球合作共建的國際熱核聚變實驗堆的目標,則是1.5億度。要知道,世界上最耐熱的金屬,熔點也只有3000多攝氏度,相比之下,一億度是個什麼概念呢?又是如何測量的呢?溫度到底是什麼?
  • 既然沒有超長溫度計,科學家如何測量出宇宙深空最高和最低溫度?
    常常看到有許多網友質疑,宇宙深空動輒億萬光年,科學家們都知道那裡的星球有多高溫度,也知道遙遠的星雲有多低的溫度,又沒有那麼長的溫度計,這些數據是怎麼來的呢?是不是瞎子估水一擔兩桶,隨意猜測出來的呢?而在宇宙很高溫度下,比如萬度乃至億度時,這種差別完全可以忽略不計,因為宇宙測得的極高溫度本身也是有誤差的,而且不止幾百度誤差。從以上狀態我們可以看出,宇宙中最高溫度並不是測出來的,而是通過理論建模計算出來的。有人會說,這種建模計算可靠嗎?
  • 你知道宇宙中最低溫度是多少嗎?
    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。
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