宇宙中的最低和最高溫度是怎么測(cè)出來(lái)的？

溫度是人們?yōu)榱撕饬课矬w組成微觀粒子運(yùn)動(dòng)程度，在宏觀方面表現(xiàn)出冷熱程度的一個(gè)標(biāo)量，比如以人身體的溫度為界限，在相應(yīng)皮膚感受器的感知作用下，當(dāng)外界環(huán)境低于人體的溫度，則熱量會(huì)由身體向環(huán)境中散失，皮膚感受器就覺(jué)得冷，相反就會(huì)覺(jué)得熱。而從宇宙空間更大的宏觀尺度上來(lái)看，對(duì)于溫度來(lái)說(shuō)，也存在著由上限和下限區(qū)間所圈定的一個(gè)閾值。

從溫度的本質(zhì)上看，它反映的是組成物體的微觀粒子平均動(dòng)能高低，也就是運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。微觀粒子運(yùn)動(dòng)越劇烈，那么其平均動(dòng)能也越高，對(duì)外表現(xiàn)則溫度越高；而如果在外界輸入能量或者熱量轉(zhuǎn)移的情況下，物體的溫度升高，則也會(huì)推動(dòng)微觀粒子運(yùn)動(dòng)速率和頻率的提升，從而粒子的振動(dòng)、摩擦和碰撞幾率也越高，在一定程度上響應(yīng)著溫度升高所帶來(lái)的影響。

我們?cè)跍y(cè)量一個(gè)物體的溫度時(shí)，這個(gè)數(shù)值反映的是這個(gè)物體整體的物理狀態(tài)，而并非個(gè)別粒子或者局部粒子的平均動(dòng)能，在熱力學(xué)中，對(duì)于理想氣體來(lái)說(shuō)，在一個(gè)封閉系統(tǒng)中，所有氣體分子的平均動(dòng)能與熱力學(xué)溫度之間存在著一個(gè)正比的關(guān)系，這個(gè)比例被稱為玻爾茲曼常數(shù)。

既然溫度反映的是微觀粒子的運(yùn)動(dòng)劇烈程度，那么就會(huì)存在著粒子運(yùn)動(dòng)速度的一個(gè)上限和下限，分別對(duì)應(yīng)著宇宙中理論上的最高溫和最低溫。而粒子運(yùn)動(dòng)速度的最高值則為光速，最低值為零，在這兩種極端的情況下，是如何推導(dǎo)出來(lái)最高和最低溫的呢？

首先來(lái)看一下最高溫度。我們可以先計(jì)算出一個(gè)封閉系統(tǒng)中理想氣體分子的平均動(dòng)能為：E=3k*T/2=1/2*mv^2，其中k為玻爾茲曼常數(shù)，值等于1.38*10^(-23)J/K。繼而可以推導(dǎo)出一個(gè)物系的溫度表達(dá)式為：T＝2mv^2/(3k)。可以看出，當(dāng)粒子的速度v為光速時(shí)，物系的溫度取決于物體的質(zhì)量，我們可以計(jì)算出電子的電高溫度級(jí)別為20億K，質(zhì)子的最高溫度為400萬(wàn)億億K。然而這個(gè)溫度還不是理論上最高的，因?yàn)樵谖锢韺W(xué)領(lǐng)域，有一個(gè)定義就是粒子的康普頓波長(zhǎng)與其史瓦西半徑的比值，被稱為普朗克質(zhì)量，當(dāng)粒子的質(zhì)量達(dá)到普朗克質(zhì)量時(shí)，其理論上的最高溫度值的計(jì)算結(jié)果為1.4*10^32K，這個(gè)溫度也被稱為普朗克溫度，是宇宙大爆炸的瞬間所產(chǎn)生的極高溫度，目前來(lái)說(shuō)僅在理論上存在這個(gè)溫度，無(wú)法再現(xiàn)也無(wú)法進(jìn)行測(cè)量。

再看一下最低溫度。根據(jù)前面理想氣體的溫度與粒子速度、質(zhì)量之間的關(guān)系式T＝2mv^2/(3k)，我們?nèi)绻麑⑺俣戎荡_定為0，那么得到的熱力學(xué)溫度將是0K，但是我們?cè)诂F(xiàn)實(shí)中是不可能使粒子的速度變?yōu)?的，那么，熱力學(xué)溫度為0K時(shí)對(duì)應(yīng)的絕對(duì)溫度-273.15攝氏度是怎么來(lái)的呢？這里主要應(yīng)用的就是理想氣體的體積與溫度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，科學(xué)家們通過(guò)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，得出這個(gè)對(duì)應(yīng)的關(guān)系為p*V=n*R*(Tc-b)，這個(gè)計(jì)算式出p為氣體的壓力，V為體積，n為氣體量，R為理想氣體常數(shù)，Tc為攝氏溫度，b為開(kāi)爾文溫度與攝氏溫度的差值。科學(xué)家們?cè)诜磸?fù)進(jìn)行理想氣體體積和溫度外推實(shí)驗(yàn)以后，最終得出了非常精確的理想氣體常數(shù)，然后繪制出了理想氣體的體積-溫度對(duì)應(yīng)直線圖，從而計(jì)算出了b值為-273.15。

從以上分析可以看出，無(wú)論是理論上的最高溫度和最低溫度，實(shí)際上在現(xiàn)實(shí)宇宙中都是無(wú)法達(dá)到的。在宇宙大爆炸之后，隨著空間的不斷擴(kuò)張，實(shí)際上整個(gè)宇宙空間的溫度是不斷冷卻的，而由于宇宙空間中都或多或少地存在著大爆炸之后所殘留的痕跡，即宇宙微波背景輻射，宇宙空間也得以在極其稀薄的物質(zhì)組成條件下，被這些微波背景輻射所“加熱”。科學(xué)家們正是利用這些微弱的電磁波在穿過(guò)氣體云之后，氣體分子會(huì)吸收一定量的輻射能量，因此科學(xué)家們利用這些證據(jù)可以計(jì)算出氣體的溫度，宇宙背景溫度3K也就是這么得來(lái)的。

宇宙背景溫度3K其實(shí)并不是宇宙中的最低溫度，智利的天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)在“回力棒星云”中測(cè)量出了1K的低溫，僅比絕對(duì)溫度高出1度，是迄今為止科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的宇宙“冷極”。

而對(duì)于宇宙中的高溫測(cè)量，科學(xué)家們主要圍繞恒星來(lái)展開(kāi)，其中比較簡(jiǎn)單的方法就是利用接收到的恒星發(fā)出來(lái)的光譜型來(lái)測(cè)量恒星表面的溫度，不過(guò)這個(gè)方法比較初級(jí)，得到的數(shù)值僅是一個(gè)區(qū)間，精確度不高。另外兩種比較復(fù)雜的方法，一個(gè)是黑體輻射測(cè)量法，通過(guò)黑體輻射的維恩位移定律，測(cè)算出輻射的峰值，然后倒推輻射源的溫度。

另一種方法是利用恒星真實(shí)光度與溫度之間的關(guān)系式：L=4π*R^2*σ*T^4進(jìn)行計(jì)算，其中L為恒星真實(shí)光度，R為恒星半徑，σ為斯特凡-玻爾茲曼常數(shù)，T為溫度。截至目前，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)溫度最高的恒星為人馬座的沃爾夫·拉葉星（WR102），其表面溫度值達(dá)到了驚人的21萬(wàn)K。