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既然沒有超長溫度計,科學傢如何測量出宇宙深空最高和最低溫度?

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常常看到有許多網友質疑,宇宙深空動輒億萬光年,科學傢們都知道那裡的星球有多高溫度,也知道遙遠的星雲有多低的溫度,又沒有那麼長的溫度計,這些數據是怎麼來的呢?是不是瞎子估水一擔兩桶,隨意猜測出來的呢?其實科學傢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象,經過幾百年現代科學的發展,科學傢們已經有許多辦法來瞭解我們宇宙最遠處和微觀世界的最深處瞭。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。這種溫度隻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,人類瞭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瞭,屬於不可觀測范圍,或者已經不屬於我們世界可以認識的事物瞭。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:其中為約化普朗克常數,普朗克常數h=6.6260693(11)×10-34J·s,=h/2π;G為引力常量,G=6.67259×10-11N·m/kg;c為光速,c=299792458m/s。普朗克常數等是量子理論裡專業性很強很復雜的計算過程,這裡就不深扯瞭。這個尺度比原子核小多瞭,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。而普朗克時間約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。普朗克溫度約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,在那種隻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,隻要減掉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幹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。現在科學傢們在大型強子對撞機裡面制造出瞭迷你版的宇宙大爆炸場景,在這個瞬間形成的場景裡,溫度達到瞭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瞭。那麼這些溫度到底是怎麼測量出來的呢?實際上有許多人不相信這種溫度是真的,他們不但認為宇宙溫度,而且有許多事情都不相信,因為這些事情完全出乎他們生活常識認知以外。但這個世界如果隻有絕大多數吃瓜群眾這樣的認知,社會文明就不會走到今天,也不會有科學的發展瞭。科學傢們就是這樣一代代前赴後繼為人類開拓文明進程的。是科學傢們的發現和發明,把人類從黑暗蒙昧的時代,帶入瞭光明智慧的時代。對於溫度的認識也是經過曲折探索的。最早,一些科學傢認為,溫度是單獨存在的物質,由此創立瞭一種“熱質學”的理論。這種理論把熱傳導過程看作是“熱質”的流動,並總結出瞭“熱質守恒定律”。但這種學說沒有辦法解釋摩擦生熱,一直受到一些科學傢的質疑和挑戰。1798年英國物理學傢倫福德通過摩擦生熱實驗,提出瞭熱是一種物質運動形式的學說;後來,英國科學傢戴維又通過冰摩擦生水的實驗進一步推翻瞭熱質說。這樣科學傢們終於得出瞭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,溫度就沒有瞭,這就是絕對零度的由來。愛爾蘭科學傢波義爾和英格蘭科學傢胡克通過“馬德堡半球”實驗,發現瞭氣體體積、壓力和溫度之間存在著復雜的關系。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系。科學傢們還得出瞭溫度和能量的關系,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。這樣科學傢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瞭。如科學界把恒星光譜分為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,但這些隻能測出其表面溫度。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制造一個長長的溫度計去測量瞭。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。科學傢們也能夠通過觀測這些現象得出各種判斷。不過科學傢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,經過計算機復雜的運算,很快就可以得出一些遙遠天體的各種數據瞭,其中當然包括瞭溫度及其成分分析。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,為瞭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,現在都廢棄不用瞭。這些溫標主要是為瞭人類生活中方便而設定的,因為人類的一般活動都是在零下幾十度到零上幾百度這麼一個范圍,所以溫度計都設置在這個范圍。開氏溫標是1848年英國著名的數學傢、物理學傢、工程師威廉·湯姆遜·開爾文勛爵創立的,是最科學的溫標,是通過理想氣體來確立的,是一個純理論溫標,與溫度物質屬性無關,符號T,單位K(稱開爾文,簡稱開)。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。開氏溫標隻有下限,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。為瞭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(註意,不是OK),相當-273.15℃或-459.67℉。攝氏度t與開氏度T的換算關系為:T(K)=273.15+t(℃);華氏度F與攝氏度t的換算關系為:℉=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系為: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。因為一旦到瞭這樣一個溫度,空間時間都沒有瞭,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跡,經歷瞭138億年的傳播,隻有微弱的餘燼被人類所觀測到。而人類已經制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,在這種極端低度下,玻色子物質呈現出第五態,即波色~愛因斯坦凝聚態,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。人類制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個針尖上就可以排佈上萬億個原子,人類用什麼探針去測這種溫度呢?因此科學傢們就是根據光譜、電磁輻射、氣體體積、壓力、粒子運動狀態等與溫度的關系,來測算這種超高溫超低溫以及遠距離天體的溫度。就是這樣,歡迎討論,感謝閱讀。時空通訊原創版權,侵權抄襲是不道德的行為,敬請理解合作。

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文章名称:既然沒有超長溫度計,科學傢如何測量出宇宙深空最高和最低溫度?

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