在太空能用温度计吗?掏出温度计测得的温度是多少?
许多人给出的答案都是错误的
你可能会说:这很简单啊,太空的温度就是宇宙微波背景辐射的温度,它比绝对零度高2.725开氏度(2.725K),也就是说,拿个温度计测得的温度大约是零下270.4℃的样子。
事实果真如此吗?哈哈,你错啦!
正确答案是:不确定。
在太空测量温度其实不简单
温度是什么?
我们首先需要澄清的一个概念是:宇宙微波背景辐射的2.725K指的不是温度,它指的是黑体辐射的强度或能量,所以你不能将它与绝对零度简单相加后认为这就是宇宙的最低温度。
要想搞清楚温度计在太空中测得的温度,咱们首先需要温习一下温度的概念:它是衡量宇宙中可观测物质粒子热运动的一个标量。
也就是说,在绝对真空里边是不存在温度的。
温度是物质热运动的体现,没有物质就没有温度,有物质就肯定有温度。理论上,当物质的内能为0时,它所表现的温度就是绝对零度,表示为0K,也就是-273.15℃。这意味着物质内部微观的热运动完全停止,根据热力学理论这不可能实现。并且到目前为止还没有发现存在这样的物质,所以绝对零度的物体不存在,0K是一个推算值。
物质微观热运动产生温度
说到这里你应该可以理解了:
在浩瀚的宇宙空间里到处都充斥着各种物质,所以宇宙是有温度的;
即使是我们认为是真空的太空环境,它其实也存在稀薄的气体、尘埃、少量的分子和原子,这些物质本身就存在温度;
温度计由物质构成,即便是在空无一物的真空中,只要你拿出温度计,它本身就有温度,并且它的温度不是绝对零度。
微波背景辐射反映出宇宙初始温度的残留
温度计量的是什么?
废话,量的当然是温度啦!
它量的是什么的温度呢?
它自己探头的温度。
你答对了。那么,在真空中,温度计探头的温度是如何产生的呢?
我们在前一节里说了,温度计是由物质构成的,物质本身有热运动,所以它自身会向外发射光子(当然不是可见光,多半是红外或远红外光)。
与此同时,太空中是有光的。白天我们能看见太阳,夜晚漫天星斗在闪耀,这些都是光子的作用。除了我们肉眼可见的光波,宇宙中还充斥着射线、x射线、极紫外线与紫外线、红外线、远红外线、微波以及波长更长的无线电波,它们全都是频率各异的光子。当这些光子撞击到物体比如说温度计的探头时,就会将能量传递给物体的原子,激发它产生振动,于是物体开始发热。
原子波尔模型跃迁
轰击温度计探头的光子越多、能量越大,温度计就越热,显示的温度就越高。反之,温度就越低。
太空中不同的地方温度差异巨大
你靠太阳足够近,在距离太阳0.1AU的太空中(也就是太阳到地球距离的十分之一处)拿出温度计,会测到200万摄氏度的高温。这还不是最热的时候,爆发的日冕物质和太阳风粒子能将温度计加热到2000万度!
只要再稍稍远离一些,情况便可大为改观。在距离太阳约5800万公里的水星附近,你的温度计测到的温度会下降到430℃,显然要比太阳附近凉快许多。
到了地球附近的太空,温度计的指针最高会指向120℃附近,由此可以看出,温度计测量的温度与它跟恒星的距离有关。这是因为恒星发出的大量光子和高能粒子轰击温度计,加热探头造成的。
如果我们距离太阳更远些,飞到冥王星轨道附近的太空,探测到的温度便只有-230℃,这里非常寒冷,以至于水银温度计完全不能使用,汞在-38.8℃就变成固体了。
冥王星距离太阳太远,这里非常寒冷
冥王星是太阳系最冷的地方吗?不对。在我们月球的南极有一些很深的陨石坑和古老火山口,这里由于数十亿年来照射不到阳光,科学家们利用轨道探测器遥测到的温度低至26K,相当于-247℃,比冥王星还冷。
宏观物体与微观粒子的温度差异
相对于我们的温度计探头,在同一个地方测量,微观粒子的温度却有巨大的差异。
在我们地球附近的太空中,每立方厘米大约有5个原子,这些原子的温度高达10000K(约9700℃),这是极高的温度,但我们完全感觉不到它们的存在;在太阳系的边缘,太空中原子的温度也能达到7000K。而在星系之间浩瀚的虚空里,每立方米的空间可能还不到1个原子,但这个原子的温度竟然可以高达100万K!
我们将温度计放在这里测量的温度会是多少?没有人试过,但最乐观的估计也只有几K而已。与太空中广泛存在的微观粒子不同,像温度计、航天器或小行星这样的宏观物体,它们的加热主要依靠吸收恒星发出的光子,距离恒星越远,或者光线被遮挡,宏观物体的温度就越低。
宏观物体温度与微观粒子温度不同
回到最初的问题
我们在太空中拿出温度计(不考虑它的测量范围)测量到的温度是多少?
正确的答案是:这需要看我们距离恒星有多远。当距离恒星很近时,由于被大量光子撞击,温度计可以显示几百万度的高温;而如果我们远离恒星,或者光线被阻挡,测得的温度就会很低,甚至会接近绝对零度。
更新于:22天前