03.01 為什麼太陽把地球都晒熱了,可太空卻還是很冷?

很多人都有這樣的常識,那就是太陽特別熱,地球都能被曬熱,但是日地之間的太空是絕對零度的(當然這個說法其實是錯誤的,太空實際上還是略高於絕度零度的),這不是相互矛盾了嗎?為什麼太陽能曬熱地球,就不能把日地之間的太空曬熱了呢?

為什麼太陽把地球都曬熱了,可太空卻還是很冷?

為什麼會感覺到溫度?

要了解這個問題,我們就得先來了解一下:什麼是溫度。

當然,溫度實際上是一個物理量,是反映物體冷熱程度的物理量。所以,它是用來描述熱現象的。

其實人類很早就在思考什麼是”熱”?然而遲遲沒有一個令人滿意的答案,各種假說都有各自的缺點。比如:200-300百年前,流行著一種熱質說。後來隨著熱力學開始發展,人類意識到,從微觀視角來看,溫度的本質是分子熱運動的劇烈程度。那這句話該如何理解呢?

為什麼太陽把地球都曬熱了,可太空卻還是很冷?

我們都知道,萬物都是由粒子構成的,但是粒子實際上並不是整齊劃一地排列在一起。實際上,粒子是在做不規則的運動,布朗運動就可以充分地證明這一點。

為什麼太陽把地球都曬熱了,可太空卻還是很冷?

科學家發現,當粒子整體運動劇烈時,溫度就越高,反之亦然。

為什麼太陽把地球都曬熱了,可太空卻還是很冷?

所以,我們就可以用粒子的平均動能來描述“熱”。但是這裡要補充一點,我們要感受到熱或者說感受到溫度,是有前提的。熱力學其實是也被叫做統計力學,這是因為它是基於足夠多的粒子數的統計基礎之上的。這就意味著,如果要反映出溫度來,就需要有足夠多的粒子數才行。那如果粒子數很少,那會如何呢?

實際上,如果你身處幾乎沒有粒子的空間,並不會感受到溫度的高低,當然應該會很容易被憋死。

地球為什麼可以被太陽曬熱?

知道了上面的內容,我們就來看看開頭說到的那個問題。我們要知道的是,地球也是由粒子構成的,而且是大量的粒子。因此,當太陽輻射到底地球時,光子可以使得地球上的粒子熱運動變得劇烈,這時候就會反映出溫度升高的現象。

為什麼太陽把地球都曬熱了,可太空卻還是很冷?

所以,地球能被曬熱的根本原因,是因為地球本身是由大量的粒子構成的。那太空為什麼不行呢?

實際上,太空是幾乎真空的,所謂的真空就是粒子都不存在的空間。當然,絕對的真空是不存在的。宇宙實際上是幾乎接近於真空狀態。在宇宙學中,我們會用到一個宇宙密度的概念。科學家通過理論和模型,可以得出一個臨界密度,這個臨界密度是ρ0=0.9×10^(-29)克/釐米^3,這麼看可能沒什麼感覺。

我們可以做個例子,這個臨界密度相當於一平方米內只有一個氫原子。而根據最新的觀測數據和理論分析來看,如今宇宙的密度是略小於臨界密度的。這就意味著宇宙實際密度是略小於一平方米一個氫原子的水平。這樣的粒子密度是不可能能夠反映出溫度的,所以,如果有人不小心暴露在太空,他實際上不會被凍死,因為他根本感受不到溫度,不過由於氣壓太低,他的體液會沸騰,最終可能因為體液沸騰而死,也可能是被憋死的。

所以,太空沒有辦法被曬的原因本質上是因為單位體積內的粒子數實在太少了。

但如果這樣你認為宇宙是絕對零度,那就錯了。如果宇宙是絕對零度,那熱力學定律早就會被改寫了。實際上,宇宙是有溫度的,這個溫度是2.72K。為什麼是這樣呢?

為什麼太陽把地球都曬熱了,可太空卻還是很冷?

我們現在知道,宇宙誕生一次大爆炸,這發生在138億年前。大爆炸之後,宇宙處於類似於等離子態,有點類似於混沌的那種狀態,也就是不透明,此時溫度極其高。宇宙的空間開始劇烈的膨脹,隨著空間膨脹,溫度開始下降。

為什麼太陽把地球都曬熱了,可太空卻還是很冷?

但我們要知道,溫度是不可能憑空消失的。因此,這個宇宙大爆炸的餘溫還要留存至今,如今我們還能夠探測到它,它的溫度就是2.72K,也就是比絕對零度高2.72度,這也被稱為宇宙微波背景輻射。如今已經成了天文學家人生必備的武林秘籍。

為什麼太陽把地球都曬熱了,可太空卻還是很冷?

總結

從微觀視角來看,溫度的本質是分子熱運動的劇烈程度,這就意味著溫度是建立足夠多的粒子數之上才有意義的。地球能被曬熱,就是因為地球由大量的粒子構成,而宇宙幾乎接近於真空,粒子數實在太少,所以無法反映出溫度來,更沒有辦法被曬熱。雖然宇宙體現不出溫度,但實際上它是有溫度的,這個溫度就是宇宙微波背景輻射的溫度。


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