在浩瀚的宇宙中,有无数的星辰,每一颗星辰都是一团“大火球”,无时无刻不在散发着巨大的热量。这种现象使我们以为,整个宇宙都是比较热的。然而,事实并非如此,据科学家估计,目前的宇宙平均温度只有-270.42摄氏度。
温度对生命的发育演化有着至关重要的作用。在一些特定的地方,也会出现一些能够适应极端环境的生物,例如“水熊虫”,这类动物就拥有着极强的耐受力,能够在极寒和极热的环境下存活。
就算是在极低的氧气浓度下,也能暂时进入休眠状态,等接触到水分后,又会重新“活”过来。
但如果把“水熊虫”放到宇宙中,连它们如此强的生命力可能都很难生存下去。那宇宙温度的极限值到底是多少?
宇宙中的最高温度便是被物理学上称作的普朗克温度,其数值大约在1.4亿亿亿亿度左右,而整个宇宙中也仅仅出现过一次这种温度,那一次便是在宇宙大爆炸的时候。
在大爆炸之后,整个宇宙的温度便迅速下降,再也维持不住普朗克温度,所以普朗克温度便是我们整个宇宙所能够达到的极限。因为无论我们如何去尝试,也无法达到普朗克温度,因为这几乎是不可能的事情,除非再来一次宇宙大爆炸?
在经典热力学中,所谓的“温度”,就是物质中许多微小粒子在热作用下的剧烈运动的“程度”,但目前还无法用这个理论来得到整个宇宙的平均温度。
因为宇宙很大,虽然其有着大量的恒星和其它的天体,但是,这些物体的分布非常的分散,而在这些物体与物体之间,则是一片空荡荡的“真空”。所以总体来说,宇宙中的物质密度非常的低,平均下来,一立方米的质量,可能只有6个质子左右。
那我们要如何去计算宇宙的平均温度呢?在生活中,我们经常会看到,将一个物体放在一个特殊的环境中,经过一段时间后,该物体的温度将会等于该环境的温度。也就是说,该物体的温度将会被视为就是该特殊环境的温度。
同理,如果将一件“东西”放在宇宙某个地方,当它处于热平衡状态时,那它此时的温度就可以被视为是该地方的温度。
如果对物理有所涉及的小伙伴会知道,传导、对流和辐射是热传递的三种途径,在太空中,辐射是热传导的唯一途径,而辐射则是一种利用电磁波进行能量传输的现象。
即物质能够从外部的电磁波中获取热能,同时物质也能够以电磁波的形式将其释放出来。
正因为如此,我们可以得出这样一个结论,那就是一个处于真空状态下的物质,其自身会散发出以电磁波形式的热量,而其自身也会以电磁波形式从所处的环境中产生的能量给吸收掉,那么其散发出来的能量就可以等同于其自身所处的真空中的温度。
这时大家就会想,宇宙中恒星的辐射是不是就造就了现在宇宙中的平均温度呢?虽然宇宙中的恒星很多,但是每一颗恒星都是相隔很远很远的。比如我们的银河系,每一颗恒星平均下来都相隔5.5光年,可想而知这个距离有多远。
而且按照平方反比定律,恒星的辐射强度会随着距离增加而下降。就拿相隔太阳的59亿公里的冥王星来说吧,其表面的温度可低到-229摄氏度。59亿公里,也就是0.000623光年,它能接收到的太阳辐射可以说是相对较弱的了。
那相比较于宇宙中的恒星来说,0.000623光年这个数字实在是太小了,但即便是如此“小”的距离上,恒星的辐射都这么弱,可想而知,那些以光年为单位相距的恒星,所受到的辐射是多么的“微乎其微”了。
而且,由于大部分的恒星都在星系内,而星系与星系之间,相隔的距离少说也有几十万,几百万,几千万光年,而且中间还隔着一层真空地带,这就使得这些恒星对于整个宇宙的平均温度的影响就更小了,从而整体来看的话,几乎可以说是微不足道了。
那么,究竟是什么因素影响着宇宙的平均温度?这个问题的回答就是“微波背景辐射”。
所谓的微波背景辐射,也就是所谓的“宇宙最初的光线”,因为光速的有限性,这些光线从最初的宇宙中就已经存在,只是在经历了漫长的岁月后,随着宇宙的不断扩张,这些光线已经逐渐化为了微波。
而微波背景辐射中所谓的“各向同性”,那就是不管你站在什么地方,任何方向,你所接收到的“微波背景辐射”都是一样的。所以同理可得,宇宙中的任何一点的“微波背景辐射”都分布得很均匀。
基本上,「微波背景辐射」就是由电磁波辐射,而宇宙中的「微波背景辐射」,平均每立方米,就含有4.11个光子。因为宇宙中任何一处地方的物体,都可以通过这种方式得到热量。
所以在没有别的热源存在时,那么在宇宙中任何一个地方,当物体达到了热平衡,那么它的温度就是“微波背景辐射”的温度。所以按照科学家们的推算,此温度为2.73 K,换算出来就是-270.42摄氏度。
所以从整体来讲,我们认为宇宙的平均温度就是“微波背景辐射”的等效温度,也就是-270.42℃,这十分接近于我们刚刚所说的宇宙最低温度“绝对零度”,前面有提到,绝对零度为-273.15℃,那这个数字又是如何推断出来的呢?
而在这个过程中,如果粒子彻底停止了运动,那么此时的温度也会下降到极致,这就是所谓的“绝对零度”。
根据热力学中的查理定律,当理想气体的体积不变时,理想气体的压强(P)和温度(T,热力学温度)成正比,也就是他们的比值是一个常数(C),其表达式为: P/T= C。当容积保持不变时,可测得气压与温度的关系。然后,根据最小二乘法,可以拟合出一个有关压强与温度的线性公式。然后,把这条直线外推到横坐标上,各种气体最后都会交汇在一点,从而可以得出绝对零度在,也就是273.15℃。
威廉·汤姆逊·开尔文是第一个提出“绝对零度”概念的人,不过那时的他对绝对零度的界定太过模糊,以至于后来又经过了数代人的不断推敲,最终才形成了现如今较完整的概念。
自从人类知晓了绝对零度的存在,就一直在进行着各种实验,从而想要成为这个领域的佼佼者,但到目前为止却还没有一个人成功过。