宇宙平均溫度僅-270.42℃,擁有眾多恒星的宇宙,為何如此寒冷?

天空之城 2022/08/31 檢舉 我要評論

宇宙中存在著數量極為龐大的恒星,每一顆恒星都可以認為是一個熾熱的「大火球」,每時每刻,它們都在向宇宙空間中釋放出大量的光和熱。這樣的情況很容易讓我們認為,宇宙在整體上應該是比較溫暖的,但實際情況卻并非如此,因為根據科學家的估算,宇宙平均溫度僅-270.42℃。

從理論上來講,宇宙中的低溫極限為-273.15℃,這也被稱為絕對零度,任何物體的溫度最多只能無限地接近絕對零度,卻永遠都無法達到或低于絕對零度,也就是說,宇宙平均溫度只比宇宙中的低溫極限高2.73℃,可以說是極度寒冷了。

擁有眾多恒星的宇宙,為何如此寒冷呢?要回答這個問題,我們需要先來看看這個「宇宙平均溫度」應該怎麼計算。

根據經典熱力學的定義,溫度是指物體內部大量微觀粒子熱運動的激烈程度,然而我們卻不能以此來計算宇宙的平均溫度,為什麼呢?

因為宇宙實在是太空曠了,盡管宇宙中存在著為數眾多的恒星以及其他的天體,但這些天體卻分布得極為稀疏,在它們之間,基本上都是幾乎空無一物的真空,從整體上來講,宇宙的物質密度低得令人吃驚,平均每立方米,僅僅只有大約6個質子的質量。

在物質密度如此稀疏的情況下,用經典熱力學定義的溫度來計算宇宙中所有物質的平均溫度顯然是不合適的,那應該怎麼辦呢?

在日常生活中,我們常常會遇到這樣一種現象:如果我們把一個物體置入一個特定的環境中,那麼在一段時間之后,這個物體的溫度就會與這個環境的溫度相等,換句話來講,此時這個物體的溫度就可以認為是這個特定環境的溫度。

之所以會出現這樣的現象,是因為這個物體達到了熱平衡,簡單來講就是,它向外界釋放出的熱量與它從外界吸收到的熱量正好相等。

同樣的道理,假如我們在宇宙空間中某一個區域中置入一個物體,那麼當這個物體達到熱平衡的時候,其溫度就可以認為是這個區域的溫度。

我們知道,熱的傳遞方式有三種,分別為傳導、對流和輻射,而在宇宙空間的真空環境中,熱只能以輻射的方式傳遞,而輻射就是一種以電磁波傳播能量的現象,物體可以通過吸收外界的電磁波來獲得熱量,與此同時,物體也會通過釋放電磁波向外放出熱量。

所以我們可以簡單地認為,對于一個被置入宇宙真空環境中的物體而言,它會通過釋放電磁波的方式向外放出熱量,同時也會通過吸收電磁波的方式來獲得熱量,當其放出的熱量與吸收的熱量相等時,這個物體的溫度就可以認為是它所在的真空環境中的溫度。

雖然宇宙擁有眾多的恒星,宇宙的空間范圍更大,這就造成了恒星之間的距離卻非常遙遠,比如說在我們銀河系中,恒星之間的平均距離就高達5.5光年左右,什麼概念呢?

這樣說吧,假設有兩顆相距5.5光年恒星,再假設它們的大小和太陽一樣,現在我們將這兩顆恒星縮小成一個足球那麼大,那麼在等比例縮小之后,這兩個「足球」之間的距離就大約為8200公里。

根據平方反比定律,恒星的輻射強度會隨著距離的增加而急劇下降,比如說在我們太陽系中,距離太陽僅59億公里的冥王星,其表面溫度就可以低至-229℃,而之所以會這樣,其實就是因為它能接收到的太陽輻射已經很弱了。

59億公里大約就是0.000623光年,與宇宙中恒星之間的距離相比,這根本就不值一提,然而就是在這樣的距離上,恒星輻射就已經如此微弱了,就更不說恒星之間動輒就以光年計的距離了。

更重要的是,宇宙中的恒星絕大多數都位于星系之中,而星系之間的距離動不動就是數十萬,甚至數百萬光年,在它們之間則基本上是一片虛無,這無疑進一步降低了恒星對宇宙平均溫度的影響,以至于從整體上來講,恒星對宇宙平均溫度的影響完全可以忽略不計。

那到底是什麼決定了宇宙平均溫度呢?答案就是「微波背景輻射」。

「微波背景輻射」被稱為「宇宙中最早的光」,由于光速是有限的,那些宇宙誕生之初產生的光直到現在仍然在宇宙空間中傳播,只不過經過了漫長的時間之后,它們早已因為宇宙膨脹而變成了微波。

「微波背景輻射」有一個重要的特征就是「各向同性」,無論在哪個方向,我們接收到的「微波背景輻射」都是一樣的,而從理論上來講,在宇宙空間中任意一點,情況也同樣如此,也就是說,「微波背景輻射」充斥著整個宇宙空間,并且還分布得非常均勻。

從本質上講,「微波背景輻射」其實就是電磁波輻射,在宇宙空間中,平均每立方米就有4.11億個「微波背景輻射」的光子。

所以在宇宙空間中的任意一點的物質都能夠因此而獲得熱量,在沒有其他熱源的情況下,當物質達到熱平衡的時候,其溫度就是「微波背景輻射」的等效溫度,而根據科學家的計算,這個溫度就是2.73K,換算成攝氏溫標就是-270.42℃。

綜上所述,盡管宇宙擁有眾多恒星,但由于宇宙實在是太空曠,因此這些恒星釋放出的熱量只能影響到極小一部分宇宙空間的物質溫度。

從整體上來講,被恒星影響的那部分宇宙空間小到可以忽略不計,而在絕大多數宇宙空間中,宇宙中的物質溫度則是由「微波背景輻射」決定的,正是因為如此,我們才認為宇宙的平均溫度就是「微波背景輻射」的等效溫度,也就是-270.42℃。

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