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最近全国各地温度普遍过低,有没有想过若是能到天上去,距离太阳更近一点温度就能高点呢? 稍微有点天文学知识的都知道,一旦出了地球非但不能获得热量,相反温度会急剧下降。也就是说,外太空乃至宇宙深处都是冰冷的。 这样一来,很多人心中难免就会产生疑问,太阳光不是从宇宙中传递到地球上来的吗,那么光经过的区域为什么还会冷呢?
我们每天随时随刻都在感受到气温变化,在人常规的认知中,温度就是一种基本的冷热感觉。说的再确切一点,各种温度计上的数值,以及天气预报中的数值,这就是常人看到的温度。
不过,我们所理解的温度,仅仅是温度发生明显的变化后的结果。那么温度究竟是什么呢?或者说温度是怎么产生的呢? 我们不妨用烧开水来举例子。烧一壶水,温度逐渐变高的过程中,壶里的水以肉眼可见的方式开始沸腾翻滚。如果将其放大在微观世界查看,沸腾的水就是一个个水分子在高速运动。 反过来说,如果温度这时候开始下降,原本沸腾的水会慢慢静止。等到温度下降到零度以下,水又会从液体状态变成固体冰的状态。放大去看,同样是那些水分子更紧密的聚合在了一起,而且不再处于运动状态。
根据水的变化我们就能明白,所谓温度的变化,其表现形式,就是微观粒子运动的过程。粒子如果运动激烈,其相互碰撞就会导致温度逐渐升高。反过来如果运动相对平缓,温度也就相对较低。 我们所处的环境,万事万物,都是由这些微观世界里的粒子所组成的。也正是因为它们的存在,才会让我们的身体感受到冷热变化。 从物质的角度看,所有物体内部的粒子都在运动,只不过各种物体内粒子运动的程度不一样。所以在接收到同样热度的情况下,哪种粒子运动程度激烈,该物体的温度就会越高。
了解了温度产生的原因,我们再来看看热量是怎么传递让我们感受到气温变化的。 日常我们炒菜,加热使得炒锅的把手会变热,这就是粒子的运动产生了气温变化,并且把这种热量传递到了我们手上。 再比如冬天寒冷,装了一瓶子热水当暖手宝,你感到手暖和了,也是瓶子里的热水将热量传递给你的。这种热量传递的方式,在物理学中就叫热传导。
热传导在现实世界很常见,物体之间通过接触,热量高的物体,就会将热能传递转移到热量低的物体上。你把手伸到烧开的水里,立刻能感到烫手,就是粒子运动通过运动震动而产生的结果。 热传导虽然存在,不过由于构成物体的粒子属性不一样,导致其传导表现程度也不一致。以金属为例,铝感受到的热传导最慢,最快的是银和铜。 而在其他物质中,传导性能不好是石棉,所以以往很多材料中,都会利用石棉做热绝缘材料。
除了接触传导之外,热量的第二种方式是对流,即热对流。冬天我们大家常常从天气预报里听到冷空气来自西伯利亚,这就是一种对流传热。 自然界中,温度一直在变化,会引起低温高密度流体自上而下流动,由此而形成的流动,就产生了热对流。 大气中的气温变化,正是因为太阳光而产生的。而太阳传递热量的方式,就被称之为热辐射。
太阳光照射到地球,以及宇宙中其他的恒星发光发热,将热量传递到附近的星体上,这都属于热辐射。 热辐射的传递方式不需要接触,也就是说不需要介质,只要一方的物体温度高,就能将热量释放出来。 热量通过不同的传递方式,导致粒子运动,由此产生不同的气温变化,这就是热量传递和温度之间的关系。
那么最终的问题就来了,宇宙中的太阳光,它也是通过辐射的方式传递出来的,那为何只有在星球上才能有气温变化,在传递过程的宇宙中温度却很低呢? 太阳表面散发出来的温度达到了6000℃,经过热辐射传递后,到达地球上的温度,有些地区比如赤道地带,感受到的最高温度能达到50℃以上。 然而当太阳的热能传递到地球之前,其一路经过的外太空区域,周围的温度只有零下270℃。也就是说,有热量的传递过程,但是所经过区域温度不会变化。
感知温度的变化就是粒子的运动,宇宙中是真空环境,不存在物质接受热量,更不存在因为热量变化而出现的粒子运动现象。这些统统不存在,从温度高低的角度去看,宇宙中就是冷的。 有意思的是,如果按照宇宙大爆炸的理论,宇宙在诞生之初其内部的温度高到没办法想象。因为那时候的宇宙还没有膨胀开来,各种分子等微观粒子的间距很小,高速运动导致温度很高。 而随着宇宙的不断膨胀,相互之间的距离越来越远,无法接触自然也就没有办法进行碰撞运动,由此导致宇宙的温度开始下降。而且其膨胀的越大,温度事实上也就越低。
所以在这个基础上,凡是没有粒子运动,或者是运动程度较低的地方,不管是宇宙还是星体上,温度都会很低。 比如水星,因为距离太阳最近,它直面太阳的区域,在阳光的炙烤下温度能达到惊人的428℃。而在水星的背面太阳照射不到的地方,温度能低到零下190℃。 巨大温差的背后,就是粒子运动程度表现出的差异。顺着这个思路,科学家曾经认为,像远离太阳的冥王星,其表面的温度应该比宇宙中还底。
而随着人类的探测器飞掠冥王星,科学家通过测算发现,冥王星表面的温度是零下229℃。虽然已经很低了,但是比宇宙中零下270℃的温度要高出不少。这就说明,像冥王星这种没有生命远离太阳的星球,同样也存在某些特定的程度的粒子运动。 进一步又表明,只要是存在粒子运动的地方,热量通过传递到达之后,温度就肯定会存在变化,而不会是像宇宙中那样,永远只是恒定的零下270℃。
理论上来看,既然粒子运动和温度的变化直接相关,那只要粒子完全停止运动,温度不就下降到一个最低点了吗。 所以在物理学领域,就有一个绝对零度的概念。按照这一概念进行测算,其具体的温度数值是273.15℃。 也就是说,这个温度数值所反映出来的结果就是,粒子运动彻底停止,或者是完全不存在粒子。
而这个数值,就比宇宙中的温度高了3℃左右。宇宙不是真空环境吗,既然有高出的温度,那就说明还是存在微弱的粒子运动的,这又是怎么回事呢? 理论上的宇宙是真空的,可实际上宇宙内也存在少量的物质,这些少量的物质就是宇宙尘埃,可以将其理解为灰尘。 每个行星的物质构成复杂,粒子密度自然也就很高。而宇宙中的尘埃密度和星体比起来,可谓是太小了。所以即便可以获取像太阳这类恒星的热量,可粒子运动很低,也只能产生大约3℃左右的温度。
而这些尘埃的构成,有的是宇宙大爆炸初期的残留物,有的则是在亿万年的时间里,各种星体撞击而形成的残留物。 依照人类目前的技术和观测,理论上的绝对零度,在宇宙中还没有被发现过。因为只要有物质存在,就会存在粒子运动,有粒子运动,所产生的温度就一定会比绝对零度高。 不过,宇宙尘埃的分布也不是均匀的,如此一来在冰冷的宇宙中,同样也会存在温度差。
根据人类目前的观测水平,已知最冷的地方是回力棒星云。这片星云距离我们有5000光年,之所以这里很冷,是因为此处的膨胀速度太快。 膨胀速度快,就从另一方面代表着各种物质和粒子之间的距离就很大,进而温度也就非常低。天文学家此前的测算是,回力棒星云的温度,在零下272℃左右。 虽然这一数值比常规的宇宙温度要低,但仍旧未达到绝对零度。说明在星云的内部,粒子运动虽然极其微弱,可并没有彻底消失。
值得一提的是,因为宇宙中有暗物质存在,所以有观点就认为,宇宙中比绝对零度高出来的3℃,并不全是宇宙尘埃导致的,也有一定的可能是暗物质发挥的作用。 人类虽然看不见暗物质,但在天文学家看来,它既然是一种存在的质量,那就肯定存在相互的作用。
只要有这样的一个过程,那就势必存在粒子活动,只不过它可能跟人类已知的所有粒子都不同。也正因为如此,它如何发挥作用人类才不得而知。 如果是这样的话,那么绝对零度就真的只存在于概念中,在真实的宇宙中就不会真的存在了。 从我们人类自身看,我们的身体也会产生36℃左右的温度,说明我们也是由粒子构成的,而且这温度的产生也是运动后的结果。
不得不说,从炙热的恒星到冰冷的宇宙,再到一直维持着体温恒定的我们,宇宙里的一切相互关联又相当神秘。我们作为宇宙的一部分,感受着温度的变化,同样也对一些气温变化而无解。 |
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