宇宙平均温度仅-270.42℃,拥有众多恒星的宇宙,为何如此寒冷?
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发布时间：2023-01-04 13:41
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时间：2023-10-13 10:21
宇宙中存在着数量极为庞大的恒星，每一颗恒星都可以认为是一个炽热的“大火球”，每时每刻，它们都在向宇宙空间中释放出大量的光和热。这样的情况很容易让我们认为，宇宙在整体上应该是比较温暖的，但实际情况却并非如此，因为根据科学家的估算，宇宙平均温度仅-270.42℃。
从理论上来讲，宇宙中的低温极限为-273.15℃，这也被称为绝对零度，任何物体的温度最多只能无限地接近绝对零度，却永远都无法达到或低于绝对零度，也就是说，宇宙平均温度只比宇宙中的低温极限高2.73℃，可以说是极度寒冷了。
拥有众多恒星的宇宙，为何如此寒冷呢？要回答这个问题，我们需要先来看看这个“宇宙平均温度”应该怎么计算。
根据经典热力学的定义，温度是指物体内部大量微观粒子热运动的激烈程度，然而我们却不能以此来计算宇宙的平均温度，为什么呢？
因为宇宙实在是太空旷了，尽管宇宙中存在着为数众多的恒星以及其他的天体，但这些天体却分布得极为稀疏，在它们之间，基本上都是几乎空无一物的真空，从整体上来讲，宇宙的物质密度低得令人吃惊，平均每立方米，仅仅只有大约6个质子的质量。
在物质密度如此稀疏的情况下，用经典热力学定义的温度来计算宇宙中所有物质的平均温度显然是不合适的，那应该怎么办呢？
在日常生活中，我们常常会遇到这样一种现象：如果我们把一个物体置入一个特定的环境中，那么在一段时间之后，这个物体的温度就会与这个环境的温度相等，换句话来讲，此时这个物体的温度就可以认为是这个特定环境的温度。
之所以会出现这样的现象，是因为这个物体达到了热平衡，简单来讲就是，它向外界释放出的热量与它从外界吸收到的热量正好相等。
同样的道理，假如我们在宇宙空间中某一个区域中置入一个物体，那么当这个物体达到热平衡的时候，其温度就可以认为是这个区域的温度。
我们知道，热的传递方式有三种，分别为传导、对流和辐射，而在宇宙空间的真空环境中，热只能以辐射的方式传递，而辐射就是一种以电磁波传播能量的现象，物体可以通过吸收外界的电磁波来获得热量，与此同时，物体也会通过释放电磁波向外放出热量。
所以我们可以简单地认为，对于一个被置入宇宙真空环境中的物体而言，它会通过释放电磁波的方式向外放出热量，同时也会通过吸收电磁波的方式来获得热量，当其放出的热量与吸收的热量相等时，这个物体的温度就可以认为是它所在的真空环境中的温度。
虽然宇宙拥有众多的恒星，宇宙的空间范围更大，这就造成了恒星之间的距离却非常遥远，比如说在我们银河系中，恒星之间的平均距离就高达5.5光年左右，什么概念呢？
这样说吧，假设有两颗相距5.5光年恒星，再假设它们的大小和太阳一样，现在我们将这两颗恒星缩小成一个足球那么大，那么在等比例缩小之后，这两个“足球”之间的距离就大约为8200公里。
根据平方反比定律，恒星的辐射强度会随着距离的增加而急剧下降，比如说在我们太阳系中，距离太阳仅59亿公里的冥王星，其表面温度就可以低至-229℃，而之所以会这样，其实就是因为它能接收到的太阳辐射已经很弱了。
59亿公里大约就是0.000623光年，与宇宙中恒星之间的距离相比，这根本就不值一提，然而就是在这样的距离上，恒星辐射就已经如此微弱了，就更不说恒星之间动辄就以光年计的距离了。
更重要的是，宇宙中的恒星绝大多数都位于星系之中，而星系之间的距离动不动就是数十万，甚至数百万光年，在它们之间则基本上是一片虚无，这无疑进一步降低了恒星对宇宙平均温度的影响，以至于从整体上来讲，恒星对宇宙平均温度的影响完全可以忽略不计。
那到底是什么决定了宇宙平均温度呢？答案就是“微波背景辐射”。
“微波背景辐射”被称为“宇宙中最早的光”，由于光速是有限的，那些宇宙诞生之初产生的光直到现在仍然在宇宙空间中传播，只不过经过了漫长的时间之后，它们早已因为宇宙膨胀而变成了微波。
“微波背景辐射”有一个重要的特征就是“各向同性”，无论在哪个方向，我们接收到的“微波背景辐射”都是一样的，而从理论上来讲，在宇宙空间中任意一点，情况也同样如此，也就是说，“微波背景辐射”充斥着整个宇宙空间，并且还分布得非常均匀。
从本质上讲，“微波背景辐射”其实就是电磁波辐射，在宇宙空间中，平均每立方米就有4.11亿个“微波背景辐射”的光子。
所以在宇宙空间中的任意一点的物质都能够因此而获得热量，在没有其他热源的情况下，当物质达到热平衡的时候，其温度就是“微波背景辐射”的等效温度，而根据科学家的计算，这个温度就是2.73K，换算成摄氏温标就是-270.42℃。
综上所述，尽管宇宙拥有众多恒星，但由于宇宙实在是太空旷，因此这些恒星释放出的热量只能影响到极小一部分宇宙空间的物质温度。
从整体上来讲，被恒星影响的那部分宇宙空间小到可以忽略不计，而在绝大多数宇宙空间中，宇宙中的物质温度则是由“微波背景辐射”决定的，正是因为如此，我们才认为宇宙的平均温度就是“微波背景辐射”的等效温度，也就是-270.42℃。
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时间：2023-10-13 10:21
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