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宇宙物理科普：给太空测温度
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宇宙物理科普：给太空测温度
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
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：
微波背景辐射反映出宇宙初始温度的残留
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γ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。
日冕爆发
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。
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
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。
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。
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。
- 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。
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γ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。
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！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。
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。
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。
听说，打赏我的人最后都找到了真爱。
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