科學家們如何測量出宇宙深空最高和最低溫度？

其實科學家們在觀測宇宙和我們物質世界最深層次時，我們真的不能夠用生活中的常識來想像，經過幾百年現代科學的發展，科學家們已經有許多辦法來了解我們宇宙最遠處和微觀世界的最深處了。

宇宙中最高溫度和最低溫度都不是直接測量出來的，而是一個理論值。

而且現在所謂的最高溫度和最低溫度，這兩種溫度都不存在。

一種是最高溫度，為普朗克溫度。這種溫度只有在宇宙大爆炸那一剎那，也就是普朗克時間，普朗克空間，發生的普朗克溫度。

量子力學認為，人類了解的任何事物都不能超過普朗克尺度極限，超過這個極限不是不存在，而是沒有意義。因為已經小於最小的量子態了，屬於不可觀測範圍，或者說已經不屬於我們世界可以認識的事物了。

這些量子單位是量子力學的開山鼻祖馬克斯·普朗克率先提出，因此人們把它叫做普朗克單位。

普朗克尺度是迄今科學認為的最小尺度，為1.6x10^-33cm，其計算公式為：

其中ħ為約化普朗克常數，普朗克常數h=6.6260693(11)×10-34J·s，ħ=h/2π；G為引力常量，G=6.67259×10-11N·m²/kg²；c為光速，c=299792458m/s。

這個尺度比原子核小多了，原子核的數量級為10^15m，比普朗克尺度大20個數量級，萬億億倍。

而普朗克時間是10^-43s，其計算公式為：

這個時間是我們人類理論上能夠認知的最小時間單位，約為1000億億億億億分之一秒。

普朗克溫度為10^32K，其計算公式為：

這個溫度就是在宇宙大爆炸發生在普朗克尺度和普朗克時間裡面的溫度，在那種只有原子核的萬億億分之一半徑空間裡，在大爆炸剛開始的1000億億億億億分之一秒時間，所發生的億億億億K高溫。

「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。

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？

現在宇宙中還有幾萬度甚至若干億度的高溫又是怎麼測出來的呢？在宇宙中，目前認為存在的最高溫度一般發生在超新星爆發或者伽馬射線暴，天體最高溫度一般在中子星中心或黑洞吸積盤，這些事件或者天體都有百億度乃至千億度高溫，伽馬射線暴甚至可以再現宇宙大爆炸千分之一秒時的溫度。宇宙大爆炸後千分之一秒溫度高達萬億度以上。

現在科學家們在大型強子對撞機裡面製造出了迷你版的宇宙大爆炸場景，在這個瞬間形成的場景裡，溫度達到了10萬億K，達到太陽核心溫度的近100萬倍。

那麼，以上這些高溫是測量出來的嗎？也不是，因為沒有這麼高的溫度計。任何溫度計在比這低很多的高溫裡都早就氣化掉了。那麼這些溫度到底是怎麼測量出來的呢？

是科學家們的發現和發明，把人類從黑暗蒙昧的時代，帶入了光明智慧的時代。對於溫度的認識也是經過曲折探索的。

最早，一些科學家認為，溫度是單獨存在的物質，由此創立了一種「熱質學」的理論。這種理論把熱傳導過程看作是「熱質」的流動，並總結出了「熱質守恆定律」。但這種學說沒有辦法解釋摩擦生熱，一直受到一些科學家的質疑和挑戰。1798年英國物理學家倫福德通過摩擦生熱實驗，提出了熱是一種物質運動形式的學說；後來，英國科學家戴維又通過冰摩擦生水的實驗進一步推翻了熱質說。

這樣科學家們終於得出了熱並不是一種單獨的物質，而是物質內部粒子無規則運動造成的現象。溫度就是粒子運動強度的表現，得出粒子運動越強烈，溫度就越高，反之就越低，停止運動，溫度就沒有了，這就是絕對零度的由來。

愛爾蘭科學家波義爾和英格蘭科學家胡克通過「馬德堡半球」實驗，發現了氣體體積、壓力和溫度之間存在著複雜的關係。隨著進一步研究深入，人們發現不同的元素在不同的而溫度下會呈現出不同的光譜，而且會發出不同的電磁輻射，而且溫度與亮度也存在線型比例關係。

科學家們還得出了溫度和能量的關係，通過計算不同溫度放射出來的電磁波波長，就可以不用接觸熱載體就能夠測算出溫度。電磁波從長到短可以區分為無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線等，波長越短的電磁波所攜帶的能量越高。這樣科學家們就可以通過各種光學望遠鏡、射電望遠鏡、射線望遠鏡來觀測遙遠天體的溫度了。

如科學界把恆星光譜分為O、B、A、F、G、K、M、R、S、N等類型，每個類型又細分出10個次型，這些光譜都對應溫度和天體組成成分，但這些只能測出其表面溫度。中心溫度則要根據天體質量大小成分組成，理論估算出中心壓力和溫度。

這樣觀測遙遠高溫和低溫就不需要製造一個長長的溫度計去測量了。

就像一個老打鐵的師傅，會通過把鐵燒到不同顏色來把控鐵的溫度和韌性，從而打造出所需用具。科學家們也能夠通過觀測這些現象得出各種判斷。不過科學家們的觀測和探測是根據環環相扣的理論建模得到的，就更為精準。

事實上，現在的高科技已經能夠通過望遠鏡的監測，經過計算機複雜的運算，很快就可以得出一些遙遠天體的各種數據了，其中當然包括了溫度及其成分分析。這些也絕不是電腦在那裡隨意運算，而是人類把幾百年來的科學研究成果和觀測發現經驗數據，輸入到電腦中，電腦進行模型比對和數據運算的結果，1秒鐘的運算結論比過去人類數年的運算還要精準很多。

溫度是宇宙客觀存在，溫標是人類主觀設定。

宇宙熱運動是一種客觀現象，是不以人的意志為轉移的。因此溫度本身是客觀存在的，而溫標則是人類通過對宇宙溫度的把握，為了更好交流而設置的主觀標準。現在常有的有開氏溫標（K）、攝氏溫標（℃）、華氏溫標（℉），歷史上還出現過蘭氏溫標、列氏溫標等，現在都廢棄不用了。

開氏溫標是根據熱力學中理想氣體分子平均動能方程得出的，這個方程表述為：Ek=ikT/2。

開氏溫標只有下限，沒有上限。當溫度達到T=0 K時，氣體分子動能為零。這種狀態下物質體積為零，空間為零。為了適應人們已經形成的習慣，計算更方便，開氏溫標每一度的刻度間隔與攝氏度相等。

但其他一切溫標都是以開氏溫標為準繩的。

絕對零度就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，是一種理論上存在的下限值，標示為0 K（注意，不是OK），相當-273.15℃或-459.67℉。

攝氏度t與開氏度T的換算關係為：T（K）=273.15+t(℃)；華氏度F與攝氏度t的換算關係為：℉=t（℃）x1.8+32；換算結果是100℃=212℉/0℃=32℉。因此，熱力學溫標與華氏溫標換算關係為：K=(F-32)×5/9+273.15或F=(K-273.15)×9/5+32。

絕對零度是理論上是無法達到也無法監測到的。

因為一旦到了這樣一個溫度，空間時間都沒有了，誰作為觀測者去測量呢？

現在人類在宇宙中發現的最低溫度為1K，這個地方是在距離我們5000光年的回力棒星雲；宇宙微波背景輻射為2.75K，這是宇宙大爆炸第一縷輝光的遺蹟，經歷了138億年的傳播，只有微弱的餘燼被人類所觀測到。

而人類已經製造出宇宙中最低的溫度，這個溫度是0.5nK(納開），也就是20億分之一開。這是正在無限接近絕對零度的溫度，在這種溫度下，玻色子物質呈現出第五態，即波色~愛因斯坦凝聚態，在這種極端溫度下，物質呈現出某些奇異特性，比如超流體、超導體現象。

像這種溫度照例不是直接用溫度計測量到的。人類製造的最高溫度和最低溫度都不是宏觀事物，而是原子級的，要知道1個針尖上就可以排布上萬億個原子，人類用什麼探針去測這種溫度呢？

因此科學家們就是根據色譜、電磁輻射、氣體體積、壓力、粒子運動狀態等與溫度的關係，來測算這種超高溫超低溫以及遠距離天體的溫度。