宇宙物理科普：給太空測(cè)溫度
你可能會(huì)說(shuō)：這很簡(jiǎn)單啊，太空的溫度就是宇宙微波背景輻射的溫度，它比絕對(duì)零度高2.725開(kāi)氏度（2.725K），也就是說(shuō)，拿個(gè)溫度計(jì)測(cè)得的溫度大約是零下270.4℃的樣子。
事實(shí)果真如此嗎？哈哈，你錯(cuò)啦！
正確答案是：不確定。

溫度是什么？

我們首先需要澄清的一個(gè)概念是：宇宙微波背景輻射的2.725K指的不是溫度，它指的是黑體輻射的強(qiáng)度或能量，所以你不能將它與絕對(duì)零度簡(jiǎn)單相加后認(rèn)為這就是宇宙的最低溫度。
要想搞清楚溫度計(jì)在太空中測(cè)得的溫度，咱們首先需要溫習(xí)一下溫度的概念：它是衡量宇宙中可觀測(cè)物質(zhì)粒子熱運(yùn)動(dòng)的一個(gè)標(biāo)量。
也就是說(shuō)，在“絕對(duì)真空”里邊是不存在溫度的。
溫度是物質(zhì)熱運(yùn)動(dòng)的體現(xiàn)，沒(méi)有物質(zhì)就沒(méi)有溫度，有物質(zhì)就肯定有溫度。理論上，當(dāng)物質(zhì)的內(nèi)能為0時(shí)，它所表現(xiàn)的溫度就是絕對(duì)零度，表示為0K，也就是-273.15℃。這意味著物質(zhì)內(nèi)部微觀的熱運(yùn)動(dòng)完全停止，根據(jù)熱力學(xué)理論這不可能實(shí)現(xiàn)。并且到目前為止還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)存在這樣的物質(zhì)，所以絕對(duì)零度的物體不存在，0K是一個(gè)推算值。 說(shuō)到這里你應(yīng)該可以理解了：

1. 在浩瀚的宇宙空間里到處都充斥著各種物質(zhì)，所以宇宙是有溫度的；
2. 即使是我們認(rèn)為是“真空”的太空環(huán)境，它其實(shí)也存在稀薄的氣體、塵埃、少量的分子和原子，這些物質(zhì)本身就存在溫度；
3. 溫度計(jì)由物質(zhì)構(gòu)成，即便是在空無(wú)一物的真空中，只要你拿出溫度計(jì)，它本身就有溫度，并且它的溫度不是絕對(duì)零度。

溫度計(jì)量的是什么？

“廢話，量的當(dāng)然是溫度啦！”
它量的是什么的溫度呢？
“它自己探頭的溫度?！?br> 你答對(duì)了。那么，在真空中，溫度計(jì)探頭的溫度是如何產(chǎn)生的呢？
我們?cè)谇耙还?jié)里說(shuō)了，溫度計(jì)是由物質(zhì)構(gòu)成的，物質(zhì)本身有熱運(yùn)動(dòng)，所以它自身會(huì)向外發(fā)射光子（當(dāng)然不是可見(jiàn)光，多半是紅外或遠(yuǎn)紅外光）。
與此同時(shí)，太空中是有光的。白天我們能看見(jiàn)太陽(yáng)，夜晚漫天星斗在閃耀，這些都是光子的作用。除了我們?nèi)庋劭梢?jiàn)的光波，宇宙中還充斥著γ射線、x射線、極紫外線與紫外線、紅外線、遠(yuǎn)紅外線、微波以及波長(zhǎng)更長(zhǎng)的無(wú)線電波，它們?nèi)际穷l率各異的光子。當(dāng)這些光子撞擊到物體——比如說(shuō)溫度計(jì)的探頭時(shí)，就會(huì)將能量傳遞給物體的原子，激發(fā)它產(chǎn)生振動(dòng)，于是物體開(kāi)始發(fā)熱。 轟擊溫度計(jì)探頭的光子越多、能量越大，溫度計(jì)就越熱，顯示的溫度就越高。反之，溫度就越低。

太空中不同的地方溫度差異巨大

你靠太陽(yáng)足夠近，在距離太陽(yáng)0.1AU的太空中（也就是太陽(yáng)到地球距離的十分之一處）拿出溫度計(jì)，會(huì)測(cè)到200萬(wàn)攝氏度的高溫。這還不是最熱的時(shí)候，爆發(fā)的日冕物質(zhì)和太陽(yáng)風(fēng)粒子能將溫度計(jì)加熱到2000萬(wàn)度！ 只要再稍稍遠(yuǎn)離一些，情況便可大為改觀。在距離太陽(yáng)約5800萬(wàn)公里的水星附近，你的溫度計(jì)測(cè)到的溫度會(huì)下降到430℃，顯然要比太陽(yáng)附近“涼快”許多。
到了地球附近的太空，溫度計(jì)的指針最高會(huì)指向120℃附近，由此可以看出，溫度計(jì)測(cè)量的溫度與它跟恒星的距離有關(guān)。這是因?yàn)楹阈前l(fā)出的大量光子和高能粒子轟擊溫度計(jì)，加熱探頭造成的。
如果我們距離太陽(yáng)更遠(yuǎn)些，飛到冥王星軌道附近的太空，探測(cè)到的溫度便只有-230℃，這里非常寒冷，以至于水銀溫度計(jì)完全不能使用，汞在-38.8℃就變成固體了。 冥王星是太陽(yáng)系最冷的地方嗎？不對(duì)。在我們?cè)虑虻哪蠘O有一些很深的隕石坑和古老火山口，這里由于數(shù)十億年來(lái)照射不到陽(yáng)光，科學(xué)家們利用軌道探測(cè)器遙測(cè)到的溫度低至26K，相當(dāng)于-247℃，比冥王星還冷。

宏觀物體與微觀粒子的溫度差異

相對(duì)于我們的溫度計(jì)探頭，在同一個(gè)地方測(cè)量，微觀粒子的溫度卻有巨大的差異。
在我們地球附近的太空中，每立方厘米大約有5個(gè)原子，這些原子的溫度高達(dá)10000K（約9700℃），這是極高的溫度，但我們完全感覺(jué)不到它們的存在；在太陽(yáng)系的邊緣，太空中原子的溫度也能達(dá)到7000K。而在星系之間浩瀚的虛空里，每立方米的空間可能還不到1個(gè)原子，但這個(gè)原子的溫度竟然可以高達(dá)100萬(wàn)K！
我們將溫度計(jì)放在這里測(cè)量的溫度會(huì)是多少？沒(méi)有人試過(guò)，但最樂(lè)觀的估計(jì)也只有幾K而已。與太空中廣泛存在的微觀粒子不同，像溫度計(jì)、航天器或小行星這樣的宏觀物體，它們的加熱主要依靠吸收恒星發(fā)出的光子，距離恒星越遠(yuǎn)，或者光線被遮擋，宏觀物體的溫度就越低。

回到最初的問(wèn)題

我們?cè)谔罩心贸鰷囟扔?jì)（不考慮它的測(cè)量范圍）測(cè)量到的溫度是多少？
正確的答案是：這需要看我們距離恒星有多遠(yuǎn)。當(dāng)距離恒星很近時(shí)，由于被大量光子撞擊，溫度計(jì)可以顯示幾百萬(wàn)度的高溫；而如果我們遠(yuǎn)離恒星，或者光線被阻擋，測(cè)得的溫度就會(huì)很低，甚至?xí)咏^對(duì)零度。
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