太阳温度高达5000度,为什么宇宙还是冷的?
太阳的表面温度高达5500摄氏度,而宇宙中还有很多能够发光发热的恒星,仅银河系中最少也有一千亿颗恒星,但数以亿计的恒星并没有把宇宙加热到很高的温度。事实上,宇宙的平均温度非常的低,只比绝对零度高了2.73度,即-270.42摄氏度,这要远低于恒星的温度。
首先,需要注意的是,空间本身没有温度的概念。因为空间不是物质,而温度是表征组成物质的原子和分子的热运动剧烈程度。恒星会发光,这些光携带着能量在真空中传播,当它们撞上物体时,光的能量会被物体吸收,所以物体的温度会升高。
整个宇宙之所以很冷,这是因为宇宙空间太空旷了,其中的物质密度极低。宇宙空旷到平均密度只有10^-29克/立方厘米,相当于水的密度(4摄氏度、1个标准大气压)的10万亿亿亿分之一,或者说每立方米中仅有5.9个质子。
在银河系中,恒星的平均距离大约为4光年。太阳的辐射功率约为3.828 10^26瓦,那么,在距离太阳2光年的地方,每平方米所会接收到的太阳能仅有0.000000085瓦(8.5 10^-8瓦)。这还是充满恒星的星系的情况,而星系和星系之间存在更为广阔的星系际空间,那里的物质密度更低,所能接收的热量还要低得多。
宇宙在诞生之初很小,那时的物质密度极高,并且温度也极高,达到了理论最高的普朗克温度(1.4亿亿亿亿度)。随着宇宙的不断膨胀,温度逐渐降低。在宇宙诞生只有1000万至1700万年的时候,宇宙的平均温度大约为0度至100度,这意味着生命可能很早就在宇宙中出现了。138亿年过去了,经过了大幅度的膨胀,宇宙的平均温度已经降低至-270.42摄氏度。现在的这些热量都是从早期宇宙中残留下来的,它们被称为宇宙微波背景辐射。
宇宙是个很大很大的空间,包括了无数的恒星和各种天体,太阳在宇宙中是一个很渺小很渺小的天体,渺小的可以忽略不计,那么宇宙的冷暖与太阳温度高达5000度有什么关系呢?
我不知道这个出题者是什么意思,大概是说地球上空的空间很冷吧,这样说还有点道理。不过要纠正一下,太阳表面温度在6000度左右(摄氏度,后同),说5000度也无不可。但毕竟这只是太阳的表面温度,不能代表太阳的全部温度。
太阳中心温度为1500万度,靠源源不断的核聚变不断往外部释放着能量,太阳表面温度只是一层面膜,随便爆发几个耀斑和日冕喷射都有几十上百万度。但这只是在太阳附近,稍远就很冷很冷了。
我们银河系有数千亿颗恒星,每一颗恒星都是一个太阳,这么多的太阳不断的放射着能量,怎么太空中还是很冷很冷呢?这种冷可不比我么地球冬天的感觉,那是一种无法比拟的冷,冷到接近绝对零度。
绝对零度是多少?就是0K,又叫零开尔文。开尔文代表热力学温度,是科学界常用的温度度标,零开尔文(0K)就等于-273.15摄氏度,这是温度的禁区,这个宇宙没有达到这个温度的物体,更没有比这更低的温度。
而宇宙微波背景辐射为3K,也就是-270度左右。这是从138.2亿年前宇宙大爆炸的至热到今天降低到的温度。
但要感受到分子运动的热量,还需要分子粒子的密度,因此粒子密度越高,运动越激烈,人们感受到的温度就越高,反之就越冷。
地球表面,空气密度很高,达到一个立方厘米有2.6875*10^19个空气分子(约270亿亿个),因此能够与太阳辐射交换和储存能量,让人们感到温度的高低。
但到了高空,空气分子就很稀薄了。到达1000公里高度,空气分子只有地表的1亿亿分之一了,因此虽然这里是地球大气层热层,粒子温度可以达到一两千度,但如果拿个温度计去测量是感觉不到的,因为那里的粒子太稀薄,很难撞到温度计,因此实际测量出来的温度(太阳不直射的情况下)会在零下200度左右。
越到远离天体的太空,粒子就越来越少,而到了太空深处,每个立方厘米就只有几个粒子了,甚至一个立方米才有几个粒子。这种地方怎么能够热的起来呢?
每个恒星的能量都是以电磁辐射的方式传播,但这种传播在宇宙真空中是不受阻扰的,只有遇到粒子时,才会进行能量转换,同时激发粒子的动能,温度上升。太空中粒子极其稀少,这就是太空温度低的原因。
或许某个接受到能量的粒子温度并不低,但由于太稀少,是很难觉察出来的。
当太阳电磁辐射到达地球大气层时,随着大气层空气分子密度越来越大,感觉到的温度和热度就会越来越高。这也是有些人问为什么到了高山,距离太阳更近了,反而会温度很低,甚至终年冰雪覆盖的答案。比如珠穆朗玛峰,离太阳近了这点距离完全可以忽略不计,但空气稀薄了将近70%,这才是变冷的原因。
太阳温度再高,在遥远的太空没有物质来承接这种能源,怎么会有不冷呢?
就是这样,欢迎大家共同探讨。 时空通讯原创版权,抄袭可耻,侵权必究。感谢理解支持。
宇宙在诞生之初的时候温度并不低,气温一度曾经超过1000亿摄氏度。不过随着宇宙空间的膨胀,宇宙物质密度被极大稀释,导致了宇宙的温度指数式衰减,最终导致宇宙的平均温度只有2.73K,几乎接近绝对零度。
当然了,我们所说的只是宇宙平均温度而已。有些地方的宇宙温度其实还是挺高的,比如一些物质稠密的区域和恒星周围。就那我们太阳举例,太阳内部温度可达1500万 ,表面温度也有5000摄氏度。如果我们胆敢靠近太阳100公里,直接就被考成碳了。即便是在地球太空附近,如过航天器朝向太阳,其表面温度也会被加热到100多度。所以由此可见,并不是宇宙所有地方温度都很低,恒星周围的温度还是高的吓人的。
不过如果太空中背对太阳,那么温度又会降到极低。因为没有阳光照射,低的时候温度低到零下一百多度。如此低温,一个人送到太空直接就变成了冰棍了。所以说太空中不是温度极低就是温度极高,不像地球上面温度基本恒定,保持在一定范围。这也可能是地球上面存在生命的原因吧。
冷热是微观粒子(不仅仅是分子)运动快慢标志。冷热是相对的,甲物体中的微观粒子比乙物体中微观粒子运动的快,则甲物体就比乙物体热。物体都是运动的,不运动的物体不存在,因此绝对零度的物体是没有的。
别说太阳5000 ,即便是1W 、10W ,宇宙也还是冷的,宇宙已经过了它那炙热的时代。
既然讲冷热,首先要清楚温度是什么?根据麦克斯韦无玻尔兹曼的解释,我们知道温度实际是物质分子热运动的体现,剧烈运动的分子相互碰撞。
以水分子为例,温水的分子运动大概是这样的。
慢慢吞吞的水分子缓缓地运动着,像一群可爱的小精灵,如果把它们加热到沸腾状态,水分子就变得暴躁了。
动荡不安的水分子开始群体暴动,暴力事件层出不穷。如果这时候,你把手放进入就会被它们一顿胖揍,打得红肿,手就会被烫伤了。
所以我们感受到的温度,实际上是水分子的动动转化为了手上皮肤分子的动能,然后刺激了神经。
宇宙大部分是真空,没有物质分子。像太阳这样的恒星是宇宙中的主要热力源,当我们靠近太阳会感觉到热,是因为从太阳逃离出来的物质分子弥漫到周围空间,它们的热运动产生了温度。
而宇宙真空中没有这些分子,所以太阳光的能量才能穿过真空给地球加热,而不会在传递过程种被真空吸收。
真空吸收不了这些能量,自然就是冷的,大概是零下负270多度,接近绝对零度的-273.15 。
至于剩下的那一点点温度,都是来源于宇宙诞生之初的余热,或者叫还未消失的电磁波,也就是 宇宙背景辐射 。
宇宙诞生之初,也曾是一个超高温大火炉,只是随着超高速膨胀才慢慢凉了下来。
总结一下宇宙虽然孕育了万物,却不受万物所左右,虽然冷漠了点,还是很怀旧的。那一抹凉意,就是宇宙打娘胎出来时的胎记。
什么是热,什么是冷?
要搞清楚这个问题,我们要先搞清楚什么是热?什么是冷?
可能你要回答的是,温度高是热,温度低是冷。这其实等于啥也没说。我们需要再往下去探究一层,实际上,现代物理学对于温度有定义是:
系统中的熵对能量偏导数的倒数。
这其实让人非常难以理解,但要解决这个问题还用不到这么高冷的理论,仅仅需要经典物理学就够用了。
在经典物理学中,温度的表述是:
物体分子热运动的剧烈程度。
这要如何理解呢?
我们都知道,万物都是由分子和原子构成的,但分子和原子并不是固定不动的,而是在一定范围里乱动,这也被叫做分子的热运动。
分子的动理论其实是通过布朗运动的理论确认的,也就是水面上花粉粒子会发生不规则运动,实际上是水分子的热运动造成的。爱因斯坦在1905年发表了一篇论文,通过数学证明了布朗运动。
分子的热运动就会越剧烈,温度就会高。反过来,如果我们给一个物体加热,实际上是让构成它的分子的热运动变得剧烈。
所以,从温度的微观解释当中,我们至少可以知道一点,那就是 要体现出温度,至少要有足够多的分子或者原子。
宇宙比想象中的还要空旷
很多人都有一个观念:太空是绝对零度的。实际上,并非如此,太空非但不是绝对零度,反而很难体现出温度来。实际上,从大尺度上看,太空有个温度大概在2.72K左右的背景辐射,被我们叫做宇宙微波背景辐射,这是宇宙大爆炸时的余热,在宇宙大爆炸之后38万年,开始在宇宙中穿行。
所以,理论上太空的温度不应该是绝对零度,也就是0K,而是2.72K,其实也很低很低了。但是,如果你不幸没穿任何保护措施被丢在了外太空,你会发现,根本不冷。
原因就在出现在了“真空”上。很多人都认为宇宙是“真空”的,实际上这并不完全准确,它只是极其接近“真空”,大概每平方米一个氢原子的密度。
具体计算方式是这样的:
根据普朗克卫星发回来的最新数据,我们可以知道,宇宙中千分之六的精度上是平坦的。
基于此,我们可以通过宇宙学原理和广义相对论,使用平坦空间的度规(就类似于坐标系),得到一个宇宙的密度公式:
其中H是哈勃常数,是可以从宇宙微波背景辐射中确定下来的。
如果哈勃常数H=70 km/s·Mpc,就可以得到一个宇宙的临界密度ρ=0.9*10^(-29)g/cm^3,如果我们假设宇宙中的物质都是氢原子, 宇宙临界密度就大概是1立方米当中只有1个氢原子 。
而我们如今所测到的哈勃常数H=67.15 km/s·Mpc,因此现在的宇宙密度其实是非常接近于临界密度的。
也就是说,太空中每平方米大概也就是一个氢原子的水平,所以这并不是绝对的“真空”,但已经比地球上能做出来的“真空”还要空。
这样的空间其实是反应不出具体的温度的,因为没有足够的分子的热运动。太阳辐射出来的光子可以很顺畅地穿过宇宙空间,很少遇到阻碍。
因此,这部分的宇宙空间根本也热不起来。但是,当光子到底地球时,由于地球是大量分子和原子聚集的天体,是可以吸收这部分热量的,同时也就会让自身分子的热运动加剧,宏观上就是变热了。
因此,我们最后来总结一下, 经典物理学框架下,温度的本质是分子热运动的程度。而太空十分空旷,大概也就是一立方米只有一个氢原子的水平。因此,太空并不能够太体现出温度来,同时也不能够吸收热量来让自身的分子热运动加剧(因为压根就没有啥分子的存在)。因此,太空并不是冷,而是压根体现不了温度,同时也没有办法吸收太阳的热。
太阳温度高达5000度,为什么宇宙还是冷的?
太阳是我们太阳系绝对的核心,占据了太阳系总质量的99.86%,依靠着强大的引力吸引着系内各大行星、卫星和星际物质,有规律地围绕着它运行。在一个恒星系统中,所有能量的产生和传输,从根源上看几乎全部来自恒星的贡献。比如我们地球上所有的自然资源、能源以及各种生物,都必须依赖于太阳光线的照射,否则也就没有目前的大千世界。即使地球只接受到太阳总辐射量的22亿分之一,对于我们来说也够用了。
大家在看一些关于太空 探索 的纪录片或者其它影像资料时,对于太空的广袤和微重力环境肯定印象十分深刻,同时也应该会对太空中的温度差异感到些许疑惑,比如太空飞船面向太阳的一面温度可以达到100多摄氏度,而背向阳光的一面又低至零下100多度。不但如此,科学家们通过在宇宙空间中探测到的宇宙大爆炸后“残余”电磁辐射信息,也就是宇宙微波背景辐射,发现宇宙的背景温度与绝对温标2.725K的黑体辐射相同,说明宇宙的背景温度仅有2.7K左右的水平,即零下270摄氏度,这么低的温度绝对超出我们的想象。那么,既然宇宙中有那么多的恒星,可以辐射出那么多的能量,为何太空中的温度还这么低呢?
要解释这个问题,得首先搞清楚温度到底代表的是什么。温度从我们认知和易于感知的角度来看,就是代表的物体冷热程度,而从分子热力学的角度来看,温度表达的是组成物体微观粒子运动的剧烈程度。世间所有的物体,都是由分子或者原子等众多微观粒子所组成,而且这些微观粒子每时每刻都在做着无规则的热运动。如果我们将物体所在系统的温度提升,则物体中微观粒子的运动速率就越剧烈;反过来,当物体微观粒子的热运动越剧烈,也会使系统温度提升。
从以上关于温度的本质,我们可以看出,温度是物体所携带能量多少的一个衡量标量,是人为定义的数值,其实质是组成微观粒子热运动的外在表现,是依赖于物质为载体表现出的一种客观存在。 离开了物质,就谈不上能量,更谈不上温度了 ,这一点很重要。
温度无论是从高到低,还是从低到高,只是发生了相应的变化,反映出物体内部的不同部位、或者不同的物体之间发生了能量的传递,接收能量的一方物体微观粒子内能增加,热运动变得剧烈,整体温度就会提升,反之释放能量的一方在没有足够的能量补充时整体温度会降低。
宇宙中热量的传递有三种方式,即热传导、热对流和热辐射,其中热传导和热对流都需要一定的介质作为载体,比如热传导多以金属等导热性能好的固体为介质,热对流主要以气体和液体等流动性能好的物质作为介质,以这些介质组成的分子或者原子间能量的互相传递为主要传输途径。而热辐射是一种非常特殊的热量传递方式,它不需要任何介质,即使在真空中也可以实现能量的传递,它不需要介质的原因,主要是因为这种热量的传递,是以电磁波的形式进行的,宇宙中的物体无论温度高低,都有将本身所具有的内能转化为电磁波能量的能力。物体热辐射能力的大小又与本身的温度、释放电磁波的波长有关,而且具有强烈的方向性。
我们在地球上能够接受到太阳光的辐射能量,主要得益于太阳光这种电磁波在宇宙空间中的热辐射传递过程,在从太阳到地球的过程中由于物质密度极其稀薄,所以能量的损耗很小。而在到达地球大气层之后,物质密度一下子升高许多倍,无论是大气层中的气体分子还是照射到地表上的岩石、土壤,还是水流、生物,电磁波在接触到这些物质之后,光线就会产生不同程度的被吸收或者被反射现象,即所携带的能量相应转移成物质的分子内能,从而物体的温度就会提升。
而在太空环境下,这种电磁波的能量转化就非常微弱了,主要原因就在于宇宙空间的物质密度非常低,据科学家测算,宇宙的临界密度大约为10^(-29)克/立方厘米的级别,相当于在大约1立方米的空间里,只有1个氢原子的水平。而宇宙空间的实际平均物质密度,非常接近这个处于平坦宇宙与弯曲宇宙临界点的临界密度,所以,从太阳表面发出的电磁波,在穿过宇宙空间到达地球之间的这段路程中,受到的“阻碍”因素非常之少,即使存在的那些稀薄的星际气体和尘埃,也不会引发足够的分子热运动,也就是说很大程度上失去了温度存在的前提条件,所以在宇宙空间中即使拿着温度计,也是无法测出准确温度的。
综上,我们可以看出,虽然太阳表面的温度很高,但是它向外传递热量的方式是通过热辐射的形式进行的,不需要任何的介质,太空中非常稀薄的物质浓度,为太阳光这种电磁波的传递创造了良好的环境。正因为太空中星际物质异常稀薄,分子热运动失去了物质来源来“规模效应”,因此无法将太阳光线所携带的能量转化为分子的内能,这种情况就几乎没有分子热运动的存在,不冷才怪呢!
温度是大量分子运动带给人类的宏观感受,分子运动越剧烈温度就越高,但是宇宙空间是接近绝对真空的,不要说分子了,就是原子都少的可怜,宇宙空间每立方厘米那几个原子是无法将整个宇宙空间加热的。
太阳表面的温度达到5570 ,但在宇宙空间中太阳的热只能通过辐射的方式传播,并且太阳的热辐射衰减的很快,在小行星带之后太阳系的温度就跌到0 一下了,因此小行星带附近被称为太阳系的零度线,小行星带外都是气态行星,而冥王星等外围天体已经感受不到太阳的热量了。
宇宙中的恒星数量是非常恐怖的,每个星系都有上千亿颗恒星,而宇宙中起码有上万亿个星系,但是我们的宇宙空间一直在不断的膨胀之中,有限的恒星之间的距离也非常远,恒星和恒星之间的距离就好像北京到上海的两个蜡烛,微弱的热量是不足以加热整个宇宙的。
宇宙的物质总量是保持不变的,但是宇宙空间的膨胀会让物质密度越来越小,宇宙空间随之也会越来越冷,现在的理论认为暗能量会让宇宙不断膨胀,最终宇宙中所有物质都会被撕裂,整个宇宙将在接近绝对零度中死去。
我们的宇宙虽然很冷,但是真正意义上的绝对零度是不存在的,因为量子涨落存在宇宙宇宙空间的每个地方,绝对零度意味着所有粒子停止运动,但这是不可能发生的。
"太阳温度高达5000度,为什么宇宙还是冷的?",题主这里说的宇宙是代指太阳系范围吧?毕竟太阳是不可能加热整个宇宙的,或者换一个提问方向,宇宙中充满恒星,为什么宇宙还是冷的?
先搞清楚温度是什么意思
温度是表示物体冷热的物理量,它体现出物体内粒子动能的平均大小,物体温度越高,构成物体的粒子平均动能越大。 换句话来说就是,有物质才有温度,温度是需要承接的。其次,温度与热量也是不同的概念,比如大气层的逃逸层,其温度理论值可达上千摄氏度,但是如果你用温度计实际去测量逃逸层的温度,可能连几十度都无法达到,这是因为逃逸层空气密度极小,虽然粒子平均动能很高,但是粒子数量少,具有的热量也就非常少了。
宇宙为什么是冷的?宇宙有多冷? 宇宙的平均温度大约为3开尔文,也就是比绝对零度高三摄氏度左右, 为什么温度这么低?宇宙大爆炸理论告诉我们,宇宙诞生之初,温度是极高的,但是随着宇宙的膨胀,热量开始在空间内耗散传播,造成宇宙整体温度的下降,现代科学研究认为,宇宙目前的平均密度大约为2 10^-31克/厘米³,这个密度值比空气密度要低千亿亿亿倍,如果我们把物质总量认为是不变的,那就只能说宇宙太大了,在星际空间中,大约一个汤匙大小的空间内只含有一个原子,所以虽然宇宙非常冷,但是依然有温度。
宇宙的广袤无垠体现在距离上,距离太阳最近的恒星也在四光年外,如果我们距离太阳非常近,还会感觉冷吗?位于近地轨道人造卫星,其向阳面温度高达上百摄氏度,如此看来宇宙中靠近恒星的位置是非常热的,研究表明,如果我们位于近地轨道,那么太阳对人体的加热功率约为一千三百瓦特,如果我们处于两光年外的位置,那么太阳的加热功率就只有7.6*10^-8瓦特,这就表明, 如果宇宙很小,恒星很近,那么整个宇宙肯定就是热的,但现实情况是宇宙非常大,而且一直在膨胀,这就造成恒星产生的热量永远也无法“灌满”宇宙空间,宇宙当然也就非常寒冷了。
再有一点,热力学定律告诉我们,热总是自发的从高温物体传播到低温物体,热传导有三种形式,包括热对流、热传导和热辐射,在宇宙中,由于星际空间中缺少物质的存在,所以物体多为热辐射方式散热,不管是太阳还是地球,它们的热量总是自发的通过辐射的方式传播的宇宙空间,但宇宙可是一直处于膨胀状态, 我们把宇宙看做是孤立的绝热系统,这个系统内总热量是不变的,但是整个系统的体积在增加,那么单位空间内的热量必然会减少,也就是说随着宇宙膨胀的进行,热量会自发的填补到多出来空间中,这就造成宇宙的整体温度会越来越低,这也代表了未来宇宙的一种命运。
结语
温度是物体内粒子平均动能的反映,在宇宙诞生之初,整个宇宙温度是非高的,但是随着宇宙的膨胀,这些热量填补在广袤的空间中,整个宇宙温度越来越低,只有靠近恒星的地方,才能感受到更强烈的光和热。
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