03.02 太陽溫度高達5000度,為什麼宇宙還是冷的?

董其斌


我們都知道地球的一年四季是地軸存在傾斜角,使得向陽一面受熱不均勻(太陽光直射的地方就是夏天反之則是其他季節),我們還知道太陽表面溫度5500℃,內部溫度1500萬℃,然而和太陽的超高溫形成強烈對比的是宇宙空間接近絕對零度的超低溫。

那麼宇宙究竟為什麼在擁有數以千萬億甚至萬萬億顆恆星的情況下溫度仍然接近絕對零度你呢?

物理學告訴我們溫度是大量分子高速運動後給人的宏觀感受,分子運動速度越快溫度就越高,而當所有分子都在以接近光速運動時的溫度就是宇宙的極限溫度,我們把它稱為“普朗克溫度”(準確數值是1.416833(85)*10^32 K)

整個宇宙之所以很冷,這是因為宇宙空間太空曠了,其中的物質密度極低。宇宙空曠到平均密度只有10^-29克/立方厘米,或者說每立方米中僅有5.9個質子。

所以說宇宙之所以接近絕對零度就是因為物質密度太低,每立方米空間中的粒子再怎麼熱運動也無法讓人類感覺到溫暖,而地球得益於濃厚的大氣層所以才會給人以溫暖或者寒冷的感覺。

太陽中心溫度為1500萬度,靠源源不斷的核聚變不斷往外部釋放著能量,太陽表面溫度在6000攝氏度左右。然而在太陽附近,稍遠就很冷很冷了。

我們銀河系有數千億顆恆星,每一顆恆星都是一個太陽,這麼多的太陽不斷的放射著能量,怎麼太空中還是很冷很冷呢?

地球表面,空氣密度很高,達到一個立方厘米有2.6875*10^19個空氣分子(約270億億個),因此能夠與太陽輻射交換和儲存能量,讓人們感到溫度的高低。

但到了高空,空氣分子就很稀薄了。到達1000公里高度,空氣分子只有地表的1億億分之一了,因此雖然這裡是地球大氣層熱層,粒子溫度可以達到一兩千度,但如果拿個溫度計去測量是感覺不到的,因為那裡的粒子太稀薄,很難撞到溫度計,因此實際測量出來的溫度(太陽不直射的情況下)會在零下200度左右。

越到遠離天體的太空,粒子就越來越少,而到了太空深處,每個立方厘米就只有幾個粒子了,甚至一個立方米才有幾個粒子。這種地方怎麼能夠熱的起來呢?

這就是宇宙中雖然有無數的恆星,它們源源不斷輻射著電磁波,而宇宙空間依然很冷的原因。

總結:太陽利用輻射可以加熱宇宙中的少數分子,但只是九牛一毛,不能改變宇宙的整體溫度,輻射傳熱被限制;被加熱的氣體分子,很難和其他分子產生碰撞,傳導傳熱也被限制;氣體分子過少,無法形成有效的對流,對流傳熱也被限制。

而在地球上,地球實體以及大氣層中充足的氣體分子,可以有效吸收太陽的熱量:太陽可以直接通過輻射,加熱地球的大氣層分子;大氣分子較多,可以充分碰撞,形成傳導;大氣溫度的分佈不均,形成對流,即可形成地球的適宜環境。


科普書閣


太陽的表面溫度高達5500攝氏度,而宇宙中還有很多能夠發光發熱的恆星,僅銀河系中最少也有一千億顆恆星,但數以億計的恆星並沒有把宇宙加熱到很高的溫度。事實上,宇宙的平均溫度非常的低,只比絕對零度高了2.73度,即-270.42攝氏度,這要遠低於恆星的溫度。

首先,需要注意的是,空間本身沒有溫度的概念。因為空間不是物質,而溫度是表徵組成物質的原子和分子的熱運動劇烈程度。恆星會發光,這些光攜帶著能量在真空中傳播,當它們撞上物體時,光的能量會被物體吸收,所以物體的溫度會升高。

整個宇宙之所以很冷,這是因為宇宙空間太空曠了,其中的物質密度極低。宇宙空曠到平均密度只有10^-29克/立方厘米,相當於水的密度(4攝氏度、1個標準大氣壓)的10萬億億億分之一,或者說每立方米中僅有5.9個質子。

在銀河系中,恆星的平均距離大約為4光年。太陽的輻射功率約為3.828×10^26瓦,那麼,在距離太陽2光年的地方,每平方米所會接收到的太陽能僅有0.000000085瓦(8.5×10^-8瓦)。這還是充滿恆星的星系的情況,而星系和星系之間存在更為廣闊的星系際空間,那裡的物質密度更低,所能接收的熱量還要低得多。

宇宙在誕生之初很小,那時的物質密度極高,並且溫度也極高,達到了理論最高的普朗克溫度(1.4億億億億度)。隨著宇宙的不斷膨脹,溫度逐漸降低。在宇宙誕生只有1000萬至1700萬年的時候,宇宙的平均溫度大約為0度至100度,這意味著生命可能很早就在宇宙中出現了。138億年過去了,經過了大幅度的膨脹,宇宙的平均溫度已經降低至-270.42攝氏度。現在的這些熱量都是從早期宇宙中殘留下來的,它們被稱為宇宙微波背景輻射。


火星一號


溫度表示的是物體的冷熱程度,其實本質上就是物體分子運動平均動能的標誌。太陽的表面溫度有5500℃,內部核心區域的溫度更高,大約有1500萬℃。這表明在太陽上面物質分子之間的運動是非常劇烈的。

圖示:太陽表面溫度5500℃

太陽在宇宙中並不是溫度最高的恆星。宇宙中很多恆星的表面溫度都是比太陽高的。比如牛郎星的表面溫度就有8000℃,織女星的表面溫度高達10000℃。目前已知的質量最大的恆星R136a表面溫度竟高達5.3萬℃。但這還不是溫度最高的恆星。目前已知的表面溫度最高的恆星叫做WR 102,這是一顆沃爾夫-拉葉星,距離地球8500光年。這顆恆星的表面溫度高達21萬攝氏度是太陽溫度的38倍!

但是隻要是恆星,那就不是宇宙中溫度最高的天體。在宇宙中中子星的的溫度可達上百萬度。比如著名的蟹狀星雲中心的那顆中子星表面溫度就高達160萬攝氏度。這還不算什麼。超新星在爆炸的瞬間,溫度可高達幾億到幾十億度。一些恆星內部核聚變都無法產生的元素,像金,鉑這樣的元素就在這瞬間的高溫中產生了。

圖示蟹狀星雲中心想中子星表面溫度高達160萬度

可以說宇宙的最高溫度幾乎是沒有上限的。那有意思的是,宇宙中有這麼多高溫的天體為什麼還是冷的呢?原因很簡單,宇宙太大了,天體彼此之間的距離是非常大的。打個比方,如果太陽是一個100瓦的白熾燈泡,當它亮著的時候,摸上去是很熱的。假設距離太陽最近的恆星比鄰星也是一個亮著的白熾燈泡。但是按照比例來看,它們兩個之間的距離至少隔著1000公里以上。太陽和比鄰星這兩個白熾燈泡是無法讓1000公里範圍內的空間熱起來的。

圖示:宇宙膨脹溫度示意圖

宇宙中不但天體之間的距離非常空曠,就連物質也是極為空曠的,太空中的物質密度幾乎接近於真空。既然物質密度極低,那麼宇宙空間中的分子運動平均動能就非常低了。因此宇宙還是冷的。實際上宇宙的平均溫度只有-270.5℃,只比絕對溫度高了那麼一點點。

以上是我對這個問題的一些看法,不當之處歡迎大家指出!


兔斯基聊科學


這個問題其實非常簡單,太陽的溫度再高,也需要通過紅外線輻射傳播,而在宇宙中可以傳播溫度的介質非常少,從而導致太陽的溫度無法加熱宇宙。

那麼宇宙都不能被加熱,為什麼地球卻能被加熱?

這類問題不需要天文學知識,只需要簡單的物理知識就能搞定。

溫度傳播主要通過三種方式:輻射、傳導、對流

宇宙中的溫度在零下235℃左右徘徊,而地球的溫度卻非常宜人,這些都歸結於太陽的溫度傳播到了地球上,然而太陽卻十分偏心,一點溫度也沒有給宇宙留下。為什麼會這樣,我們來依次分析!

  • 輻射傳熱:

輻射傳熱是最常見的方式,在地球上,我們使用的烤箱,沒有接觸食物卻能加熱裡面的食物,這就依靠紅外線的遠程輻射,從而讓食物加熱。

輻射看似非常有效,但是有一個關鍵的限制因素——“介質”。紅外線輻射,必須要照射到物體上才能加熱物體,就像太陽光照射到地球上,才能加熱地球。

宇宙,基本就是真空環境,太陽就算想要利用輻射加熱宇宙,也找不到可以加熱的對象。

  • 傳導傳熱:

傳導是在地球上效率很高的傳熱方式,比如我們平時做飯,將鍋具加熱後,接觸到鍋具的食物也會加熱,這就是傳導傳熱。

簡單來說,就是溫度高的物體接觸溫度低的物體,溫度低的物體就會自然而然的加熱,從而實現傳導傳熱。

地球不可能直接接觸到太陽,因此太陽不會直接傳導給地球熱量。真空環境下的宇宙,氣體分子都很少,太陽自然無法傳導給宇宙熱量。

  • 對流傳熱:

對流傳熱在地球上每天都在發生,熱空氣上升,冷空氣下降,形成對流,從而讓氣球上的氣候溫度更加均衡,不會出現非常極端的天氣。

對流傳熱的基礎就是——充足的大氣分子,也就是大氣層。

不用說,地球的大氣層是形成對流的絕佳條件。而在宇宙中,氣體分子非常有限,發生氣體分子的碰撞的概率都很低,自然不可能產生對流。

總結

太陽無法加熱宇宙的主要原因,就是宇宙的真空環境:

太陽利用輻射可以加熱宇宙中的少數分子,但只是九牛一毛,不能改變宇宙的整體溫度,輻射傳熱被限制;被加熱的氣體分子,很難和其他分子產生碰撞,傳導傳熱也被限制;氣體分子過少,無法形成有效的對流,對流傳熱也被限制。

而在地球上,地球實體以及大氣層中充足的氣體分子,可以有效吸收太陽的熱量:太陽可以直接通過輻射,加熱地球的大氣層分子;大氣分子較多,可以充分碰撞,形成傳導;大氣溫度的分佈不均,形成對流,即可形成地球的適宜環境。

太陽那麼熱,宇宙那麼冷!地球卻如此溫和!

地球為人類提供了奇蹟般的環境,人類也應該善待地球,善待人類目前唯一的家園!


蒜頭聊科學


太陽溫度雖然高達5000度。但太陽於各個恆星之間。相差的距離也是非常遙遠的。就像我們地球。所感受到的太陽溫度也只是稍微被覆蓋了一下而已。

當然離太陽太陽稍微近一些的星球。就沒有那麼走運了。他們的地表溫度就非常的高。生命沒有辦法在上面生存。

而我們的航天飛行器。說登錄宇宙的位置。離太陽也相當遠。而且就算我們的飛行器有足夠的速度,達到了光速以上。想靠近太陽。也是不可能的。

太陽跟我們的地球剛好是相反的一個狀態。太陽的表面溫度有5000度。而我們的地球地心溫度有6800度。其實相對來說我們的地球會更熱一些。但我們依然感覺不到燙。那也是因為我們生活在地殼上。這層地殼厚度有17km。而且主要成分是,導熱性很差的硝酸鹽。所以我們生活在地殼上並不會感到地心的熱。

大自然有它神奇的安排。每種自然現象都有它可以解釋的答案。只要我們人類能夠達到足夠的文明。就會把這些未知的謎團。一揭開它的謎底。


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其實這個問題還是很好回答的啊,打個比方吧。在寒冷的夜晚,房間裡麵點兩根蠟燭。你還是感覺會很冷。把這個房間看成宇宙,這個道理是一樣的。且看下面分析。

01

瞭解一下太陽

太陽表面的溫度達到5570℃,但在宇宙空間中太陽的熱只能通過輻射的方式傳播,並且太陽的熱輻射衰減的很快,在小行星帶之後太陽系的溫度就跌到0℃一下了,因此小行星帶附近被稱為太陽系的零度線,小行星帶外都是氣態行星,而冥王星等外圍天體已經感受不到太陽的熱量了。

02

宇宙中恆星多還是不發光的星體多

我們知道只有像太陽的恆星才能發出熱量,那麼宇宙中恆星有多少呢?宇宙中的恆星數量是非常恐怖的,每個星系都有上千億顆恆星。

如果我們把發光星體稱之為恆星不發光的星體包括宇宙暗物質都稱之為行星的話,我認為行星應比恆星多,道理很簡單,是能量聚集(儲蓄)速度快還是能量燃燒速度快呢?我想一定應該是燃燒速度遠遠大於能量聚集(儲蓄)速度,假如恆星可燃燒(核反應)上百億年,那麼它的形成(燃燒前)的過程則需上千億年。宇宙看不見的暗物質(包括行星)一定比看的見的恆星多

03

宇宙膨脹的速度

我們都知道宇宙一直在膨脹,一直在擴張自己的領土,但是這個速度是驚人的。打個比方,你在氣球上有兩座房子。但是把氣球吹大,你會發現這兩座房子會越來越遠,越來越遠。但是在宇宙中這個速度是驚人的。

科學家測量了。67.7千米/秒的擴展速率 - 這意味著每326萬光年,宇宙的速度再擴大到每秒67.7千米。來自我們看不到或觸摸的東西,稱為暗物質。而我們無法看到或觸摸的一些其他力量,稱為暗能量,同時導致宇宙以不斷增長的速度擴張。

04

為什麼宇宙還是很冷?

第一:通過上面我們知道了,宇宙一直在膨脹,速度是驚人的,有限的恆星之間的距離也非常遠,恆星和恆星之間的距離就好像北京到上海的兩個蠟燭,微弱的熱量是不足以加熱整個宇宙的。

第二:通過上述我們知道,宇宙中發光的物體,其實比不發光的物體少很多,因此太陽發出的能量還是要被這些不發光的物體所吸收。

第三:宇宙的真空不是絕對的,熱傳導仍然會發生,並且,由於周圍環境溫度非常低,溫差極大,因此,熱傳導的速度也會很快的

總結一下:這是因為宇宙空間幾乎是真空,很少有物質會存儲太陽的輻射熱能,而且太空中能存儲熱能的物質也非常稀疏,根本不能夠將宇宙空間加熱,所以宇宙空間熱不起來。

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該問題中的5000度,應該是指太陽表面的溫度,實際上太陽表面的溫度是在5500℃或者更高一些。

太陽,大約是在45.7億年前由一個坍塌的巨大氫分子云內形成的,現在它已經演化到了中年期,還有約50億年的壽命。屆時,它將進入紅巨星的階段,氦核心為抗引力而收縮,同時變得更加熾熱。最後,它變成白矮星,並在數十億年內逐漸冷卻和黯淡,一步步走向死亡的結局。

在現在這個中年期階段內,太陽核聚變是在核心內將氫聚變成氦。每秒中都有超過400萬噸的物質在太陽的核心轉化成能量,產生無比可怕的太陽輻射,對外傳遞溫度,釋放能量。

雖然太陽每分每秒都在通過輻射、傳導、對流這三種方式來對外傳遞溫度,釋放能量,但是宇宙實在太過浩瀚,無邊無際,而且溫度極低,在天文學上可以用絕對零度來表示,亦即是-273.15度,但實際上比這個數值要高。

既然這樣,僅憑太陽釋放出來的能量和傳遞出來的溫度,對沒有邊際的宇宙來說,那簡直就是滄海一粟,根本沒有什麼作用。

要知道,宇宙中有著無數個像太陽一樣的恆星,甚至是要比太陽大上數千倍的恆星,其釋放出來的能量和傳遞出來的溫度,都不能把宇宙“加熱”升溫到多少度,宇宙依舊是那麼的冰冷。


劍動天下




據說太陽表面上的溫度高達6000攝氏度。可見太陽表面上的物質運動程度之劇烈。那裡的溫度越高,說明那裡的微觀粒子運動速度越快,輻射出太陽的粒子也就越多。



按理說,越接近太陽周圍的宇宙空間,溫度就越高才是。但事實上那裡的溫度卻很低。這是因為溫度是微觀粒子、特別是基本粒子電子在高速運動中碰到其他物體後,導致該物體分子在吸收能量的同時,其化學鍵合力卻在同步下降,離子和分子之間的距離加大,分子或物體出現膨脹。此時,電子在物體內連續反射(來來回回)碰撞,並將多餘的電子向外輻射。則該物體就帶有了熱量。



假如被太陽加熱的物體突然中斷了陽光照射。那麼,該物體內的原子或離子就會重新恢復化學鍵合力。原子或離子聚合時,同時釋放出核外電子和離子之間的自由運動電子。直至電子逃離殆盡而逐步變冷為止。



我們應該知道,宇宙空間物質稀少,密度極低。太陽表面輻射出來的包括以電子為主的其他基本粒子,在空間高速運動中不會發生與其他物體碰撞。也就是說,其光電子的運動動能不會在空間中得到存儲或來回震盪。所以,直線運動的微觀粒子動能基本沒有在宇宙空間中留下作用力或轉化到其他物體上。這樣宇宙空間就是冷的。這也就是為什麼航天器朝陽一面溫度較高,而背陽一面溫度則較低的原因。


海門老馮


什麼是熱,什麼是冷?

要搞清楚這個問題,我們要先搞清楚什麼是熱?什麼是冷?

可能你要回答的是,溫度高是熱,溫度低是冷。這其實等於啥也沒說。我們需要再往下去探究一層,實際上,現代物理學對於溫度有定義是:

系統中的熵對能量偏導數的倒數。

這其實讓人非常難以理解,但要解決這個問題還用不到這麼高冷的理論,僅僅需要經典物理學就夠用了。

在經典物理學中,溫度的表述是:

物體分子熱運動的劇烈程度。

這要如何理解呢?

我們都知道,萬物都是由分子和原子構成的,但分子和原子並不是固定不動的,而是在一定範圍裡亂動,這也被叫做分子的熱運動。

分子的動理論其實是通過布朗運動的理論確認的,也就是水面上花粉粒子會發生不規則運動,實際上是水分子的熱運動造成的。愛因斯坦在1905年發表了一篇論文,通過數學證明了布朗運動。

分子的熱運動就會越劇烈,溫度就會高。反過來,如果我們給一個物體加熱,實際上是讓構成它的分子的熱運動變得劇烈。

所以,從溫度的微觀解釋當中,我們至少可以知道一點,那就是要體現出溫度,至少要有足夠多的分子或者原子。

宇宙比想象中的還要空曠

很多人都有一個觀念:太空是絕對零度的。實際上,並非如此,太空非但不是絕對零度,反而很難體現出溫度來。實際上,從大尺度上看,太空有個溫度大概在2.72K左右的背景輻射,被我們叫做宇宙微波背景輻射,這是宇宙大爆炸時的餘熱,在宇宙大爆炸之後38萬年,開始在宇宙中穿行。

所以,理論上太空的溫度不應該是絕對零度,也就是0K,而是2.72K,其實也很低很低了。但是,如果你不幸沒穿任何保護措施被丟在了外太空,你會發現,根本不冷。

原因就在出現在了“真空”上。很多人都認為宇宙是“真空”的,實際上這並不完全準確,它只是極其接近“真空”,大概每平方米一個氫原子的密度。

具體計算方式是這樣的:

根據普朗克衛星發回來的最新數據,我們可以知道,宇宙中千分之六的精度上是平坦的。

基於此,我們可以通過宇宙學原理和廣義相對論,使用平坦空間的度規(就類似於座標系),得到一個宇宙的密度公式:

其中H是哈勃常數,是可以從宇宙微波背景輻射中確定下來的。

如果哈勃常數H=70 km/s·Mpc,就可以得到一個宇宙的臨界密度ρ=0.9*10^(-29)g/cm^3,如果我們假設宇宙中的物質都是氫原子,宇宙臨界密度就大概是1立方米當中只有1個氫原子

而我們如今所測到的哈勃常數H=67.15 km/s·Mpc,因此現在的宇宙密度其實是非常接近於臨界密度的。

也就是說,太空中每平方米大概也就是一個氫原子的水平,所以這並不是絕對的“真空”,但已經比地球上能做出來的“真空”還要空。

這樣的空間其實是反應不出具體的溫度的,因為沒有足夠的分子的熱運動。太陽輻射出來的光子可以很順暢地穿過宇宙空間,很少遇到阻礙。

因此,這部分的宇宙空間根本也熱不起來。但是,當光子到底地球時,由於地球是大量分子和原子聚集的天體,是可以吸收這部分熱量的,同時也就會讓自身分子的熱運動加劇,宏觀上就是變熱了。

因此,我們最後來總結一下,經典物理學框架下,溫度的本質是分子熱運動的程度。而太空十分空曠,大概也就是一立方米只有一個氫原子的水平。因此,太空並不能夠太體現出溫度來,同時也不能夠吸收熱量來讓自身的分子熱運動加劇(因為壓根就沒有啥分子的存在)。因此,太空並不是冷,而是壓根體現不了溫度,同時也沒有辦法吸收太陽的熱。


鍾銘聊科學


這個問題很簡單,不需要寫得長篇大論的。

太陽溫度高達5000度,為什麼宇宙還是冷的?宇宙無限大,太陽在宇宙中,就如同一粒塵埃,或許比塵埃都要微小。

假設宇宙是一塊50000公頃的土地,太陽是一根蠟燭,那麼這根蠟燭能照亮,這50000公頃的土地嗎?肯定不能。


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