宇宙溫度有多極端？

下面，讓我們來談談我們最喜歡的物理學。

溫度是量化物體熱度的一個量。因為不僅可以加熱物體，而且還能加熱物質（液體或氣體），所以溫度被定義為粒子的動能程度。

在遠離恆星的宇宙中，溫度可為絕對零度，即：負273.15攝氏度。絕對零度是粒子處於零動能的狀態。然而，從量子物理學的角度來看，在絕對零度下，由於粒子的量子特性及其周圍的物理真空，所以存在著零漲落。

這種可怕的寒冷真的是難以想象：例如，在土星的衛星上，土衛六大約為零下180度。在這個溫度下，甲烷可以變成液體。此外，科學家們在它的表面發現了甲烷河流和海洋。回顧一下冥王星，在它表面，氣體會凍結成固體冰。想象一下，我們的身體會發生什麼。

另一方面，有了熱量後，熱的指標會比冷的指標高得多。也許有人會說，金星只是個開始。下面，就讓我們來看看其他具有熱的東西。

從恆星的光譜中，我們可以判斷出恆星的溫度以及它的化學成分。下面我將給出一張表，清楚地顯示了恆星的溫度和顏色。

很難想象那是什麼感覺，不是嗎？但這不是極限！

1899年，德國理論物理學家馬克斯·普朗克（Max Planck）提出了自己的溫度測量理論。他決定對基本常數進行分組，以便得到一個具有簡單維度的特定複數。

普朗克溫度為1.416833（85)×10^32 K。即使是這些數字，但也很難讓人意識到。

在量子力學中，這是極限。現代物理學無法用更高的溫度來描述任何東西，因為它缺乏斯蒂芬·霍金所想象的引力量子理論。在普朗克溫度之上，粒子的能量會變得如此之大，以至於它們之間的引力可以與其他基本相互作用相媲美。人們認為，這是大爆炸時的溫度。

大型強子對撞機上的實驗(LHC)

2010年11月7日，科學家在大型強子對撞機上進行了一次實驗，在實驗中，創造了一個絕對溫度記錄，即：10兆攝氏度！

在功能最強大的粒子加速器上，科學家們希望獲得一種夸克-膠子等離子體，在宇宙大爆炸後的最初時刻，該等離子體就充滿了整個宇宙。為了做到這一點，科學家們以接近光速的速度，碰撞了具有巨大能量的鉛離子束。在重離子的碰撞中，開始經歷了“微型大爆炸”，即：一個密度很大的火球，但溫度高得讓人難以想象。應該注意的是，在這樣的溫度和能量下，原子核會熔化，並從夸克和膠子中形成一種液體。研究人員設法獲得一種自宇宙誕生以來且溫度最高的夸克膠子等離子體。

你講的就是真空中的溫度吧。2.725K（-270.425攝氏度）

是什麼？

這就是所謂的宇宙微波背景輻射，也被稱為本底輻射，由美國射電天文學家彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜在1964年清理射電望遠鏡時發現的，他們也因此獲得了1978年的諾貝爾物理學獎，早些年家裡的黑白電視機上的雪花點就是這個。

從哪來的？

要想知道他從哪來，得大概說一下宇宙的形成過程。

目前標準的大爆炸模型所描述宇宙經過暴脹時代、夸克時代、強子時代、輕子時代等（細分達到10個階段）而後到達光子時代，微波背景輻射的故事就得從這開始。

默默的等待：大約從時間產生後10秒鐘到37萬年之間，有了光，這個時候宇宙中大部分的質量都以氫（佔75%以上）、氦、鋰原子核、電子和光子的形式存在，由於溫度還很高（溫度在10億到3727攝氏度之間），還不能形成穩定的原子，實際上宇宙就是一鍋等離子湯，而光在其中無法暢通行走。

自由飛行：37萬年之後，宇宙終於變得足夠涼爽，電中性的原子得以形成，並透過釋放光子迅速降低能態，始稱“光子解耦”，從那時起，宇宙的第一縷光便一直飛行了100多億年，直到今天，變成了宇宙微波背景輻射。

不斷變冷：由於宇宙不斷的膨脹，時空尺度不斷增大，光就像橡皮筋一樣被不停的拉長，能量越來越低，波長越來越長，從伽馬射線變成可見光變成紅外光，再變成今天頻率極低的電磁波，所以，在未來溫度還會繼續降低，2.7K不是終點！

星際間的溫度大概是2.7開文左右。這個溫度也是宇宙背景輻射的溫度 意思是說宇宙大爆炸時的極度高溫已經隨著宇宙不斷膨脹而冷卻下來 這個輻射是各個方向都有的充滿了整個宇宙 也就是說即便是空無一物的星際空間 雖然你一眼看上去什麼都沒有 此時也是有溫度的 這也是我們說宇宙內找不到絕對零度（零開文）的原因

絕對溫度，是溫度的最低極限，相當於-273.15℃，當達到這一溫度時所有的原子和分子熱運動都將停止。熱力學第三定律指出，絕對零度不可能透過有限的降溫過程達到，所以說絕對零度是一個只能逼近而不能達到的最低溫度。人類在1926年得到了0.71K的低溫，1933年得到了0.27K的低溫，1957年創造了0.00002K的超低溫記錄。利用原子核的絕熱去磁方法，我們已經得到了距絕對零度只差三千萬分之一度的低溫，但仍不可能得到絕對零度。宇宙大部分空間都是冰冷的，只能無限接近絕對溫度。

首先恆星是類似於太陽一樣燃燒著的巨大氣體球。離的越近溫度越高，這一點的感受就和我們距離一堆篝火遠近一樣。從太陽系八大行星表面溫度隨著距離太陽距離增加而不斷降低就可以明白。距離最近的水星表面平均溫度167℃，而距離最遠的海王星表面平均溫度已經下降到了零下200℃。可以肯定是距離更遠的地方溫度會更低。

我們知道恆星所發出光作為能量的載體，以太陽為中心越是往外能量密度越小，單位面積接受的能量自然也不斷減少。而距離我們最近的恆星也有4.2光年的距離，在柯伊伯帶之外的星際空間內已經幾乎沒有行星物質。就等於沒有能量的接收體，自然沒有散熱體。廣袤的空間內，唯有無盡的黑暗。而這裡的溫度應該很接近於絕對零度。

這問題，我們需要先來了解一下黑體輻射。

物質會向外放出輻射。

比如，太陽向我們輻射，於是我們感受到了熱。

人體也向外放出熱輻射，所以你感受到了她隱隱傳過來的溫暖。

（圖片來自NASA/IPAC）

如上圖，人體的大多數能量是以紅外線的形式散射掉的。平均起來，成年人，其人體一天要輻射出大約9000千焦的熱量。

地球的黑體輻射，圖片來自nasa。

所以，我們現在知道了，如果你用一個儀器接收人體輻射出的電磁波，你會發現，那是紅外線（電磁波的一種）。

同理，如果你用儀器對準太陽，你會發現，你能接收到很強的紫外線，這代表太陽有一個很高的問題。

問題來了。

當你把儀器從任何方向對準黑暗的宇宙，你將接收到什麼電磁波？

答案是微波。

這就是“宇宙微波背景”的由來。

根據這個宇宙微波，科學家們發現，這個從宇宙背景裡面輻射出的微波，其特徵跟2.725K的黑體輻射相同。

所以，一直以來，我們都認為：

廣袤的宇宙星空，它的背景溫度也就是2.72548K，誤差為±0.00057k。

換算成我們熟悉的溫度單位就是：

-270.42452攝氏度。

故，如果沒有什麼特殊的要求，我們一般可以這樣認為：

遠離恆星的，廣大的宇宙太空，其溫度大多在-270.42攝氏度。

當然，也有特殊情況。

（ESO次微米波望遠鏡，圖片來自Franck Schneider）

比如說，1995年，天文學家們使用位於智利的15米瑞典ESO次微米波望遠鏡觀測了一個星雲。

名叫“回力棒星雲”。

顯示出，這個星雲的溫度只有1 K，也就是-272.15°C。

這是自然界中已知的最低溫度。

這是哈勃太空望遠鏡眼中的“回力棒星雲”，圖片來自ESA / NASA。

在遠離恆星的宇宙太空中，溫度是無限接近於絕對零度273.15℃。

為什麼是無限接近於絕對零，而非絕對零度呢？

絕對零度是個理想化的溫度，現實情況並不存在。理想的絕對零度的溫度下，所有的量子都會停止運動，粒子動能低到了量子力學最低點物質的能量。但是在現實情況下，宇宙中充滿了微粒，有光、塵埃、輻射、電磁波等的量子存在。量子都是在不斷運動的，運動的量子就會有內能，並且空間中的能力會相互轉換但不會消失，所以任何空間中都含有能量和熱量。

150億年前，宇宙大爆炸。宇宙從一個密度無限大、體積無限大、溫度無限高的奇點爆炸開而生成。宇宙中的物質以奇點為中心，不斷的向外擴散，同時還帶著能量和熱量。在宇宙大爆炸發生後1普朗克時間後，宇宙溫度達到溫度最高值無限接近十的三十二次方。

爆炸後短時間內，物質隨爆炸釋放的能量向外擴散，但是物質在空間中的擴散速度低於熱、光等輻射。在奇點以外的空間，物質密度低於輻射密度，宇宙中充滿輻射，但是密度較低。而奇點範圍內，輻射密度降低，物質密度仍很高。大概經過30萬年，宇宙從前期的氣態物質慢慢的相互作用成密度較高的星雲。隨著時間的推移，演變出了恆星和恆星系統。

在恆星系統中，恆星穩定的給其星系提供熱能和光能，讓溫度不至於流失太快。在恆星系中，夾雜著大量的微粒量子，能夠將恆星系中的熱量帶走。所以恆星在宇宙中僅算是輻射源之一。太陽系中，從被太陽烘乾的金星，到全身覆蓋冰塊的“木衛二”可以看出遠離恆星能使溫度降低。但是量子是不斷運動的，就算是遠離恆星，充滿宇宙的量子還是會將熱能傳遞出來。假設有個離恆星無窮遠的空間，其溫度只會無限接近於絕對零度，而達不到絕對零度。

可能有同學會說：如果有空間還沒有被量子到過呢？從來都沒有物質和能量到過的地方是不是就是絕對零度呢？

在理論上，沒有物質沒有能量的空間溫度確實是絕對零度。但是這樣的空間在現實中是不存在的。因為，如果沒有物質進入空間，也就意味著連光和輻射均沒有。所以，既是有這樣的空間存在，我們也沒辦法直接觀測到。這就跟量子的不確定性一樣，我們沒辦法直接觀測到，只能透過理論只是去計算，這也就沒有辦法直接證實無限遠的空間溫度是絕對零度。

物理學邏輯跟現實邏輯有著一定的差異。最大的差異就在於現實生活中要證明事情存在，必須要有充足的證據能夠證明。而物理學中先進理論的面試均是先進科學家們的假想，只要沒有證據證明假想是錯誤的，假想就算正確的。這也是科學發展的原動力吧。

宇宙背景輻射是來自宇宙空間背景上的各向同性的微波輻射，也稱為微波背景輻射。二十世紀六十年代初，美國科學家彭齊亞斯和R.W.威爾遜為了改進衛星通訊，建立了高靈敏度的號角式接收天線系統。1964年，他們用它測量銀暈氣體射電強度。為了降低噪音，他們甚至清除了天線上的鳥糞，但依然有消除不掉的背景噪聲。他們認為，這些來自宇宙的波長為7.35釐米的微波噪聲相當於3.5K。1965年，他們又訂正為3K，並將這一發現公諸於世，為此獲1978年諾貝爾物理學獎。

特徵和絕對溫標2.725K的黑體輻射相同。頻率屬於微波範圍。

換算成溫度，-273.15+3=-270.15℃