主題

【科普】宇宙空間的溫度

愛天使亞夜 | 2021-01-22 18:30:04

各位好這裡亞夜。

敝人喜歡自然科學,
敝人愛看科幻,
敝人也看奇幻,
而科幻當中幾乎都會扯到宇宙空間,
而宇宙空間中的溫度設定又常常很有趣,
例如《銀河英雄傳說》中有一幕是使用巨大冰球(殞冰)去砸敵方基地,
敵方使用雷射炮迎擊,
劇中描寫到雷射炮雖然融化了殞冰表面,
但因為宇宙空間是絕對零度,
因此融化的冰塊馬上又凍結回去,
於是敵方對於殞冰戰術完全沒有辦法。

宇宙空間是絕對零度,
事實真是如此嗎?
請看敝人娓娓道來,
相信你一定會豁然開朗。


【目錄】

什麼是溫度?
宇宙空間是絕對零度嗎?
溫度如何傳導轉化散失?
核聚變需要的一億度是什麼概念?


首先,
什麼是溫度?
寒流來了最低溫只有8攝氏度?
太陽底下體溫超過100華氏度會中暑?
實驗室溫度保持300開爾文?
不,
這些都只是「溫度的單位」而不是「溫度的本身」。
那麼究竟「溫度的本身」是什麼?
敝人這裡就不多做解釋而是直接公布答案了:
溫度的本身就是粒子本身的運動劇烈程度,
粒子運動的程度越劇烈那溫度就越高。

我們用這個模型來解釋溫度的傳遞。
溫度最基本的傳遞方式就是接觸傳導,
那什麼是接觸傳導?
你把低溫的物體想像成一顆慢慢滾的撞球,
而高溫的物體想像成一顆滾很快的撞球。
當這兩個撞球撞在一起的時候會怎樣呢?
滾很快的那顆會變慢一些,
滾很慢的那顆則會被加速。
如果說滾的快=熱而滾的慢=冷,
那麼快的變慢就是涼掉了,
而慢的便快就是變熱了,
這不就是熱傳導所表現出來的結果嗎?

當然,
這是對一顆自由粒子而言。
實際上生活中的物質都不會是自由粒子,
而是由分子組成的,
受到束縛的物體。
因此呢,
一個東西的溫度與一個東西的速度會被分開來看。
你可以這樣說:
一個物體裡面的所有分子無時無刻都保持著相對位置,
因此我們看起來他就是一塊固體。
然而裡面所有的分子其實都在震動,
震動的幅度就是他的溫度。
而這時你推動物體把他加速,
他就獲得了一個動能。
此時你要讓這個物體停下來的話,
別忘了,
這時物體本身是有速度的,
也就是攜帶著動能。
你要讓他停下來,
也就是說讓物體不要繼續朝著受力方向移動,
那在物體不把能量丟掉的前提下就只能是各個粒子的運動幅度變大了,
這樣他才能維持能量不散失嘛!
所以為什麼摩擦會起熱?
因為你把原本整體的動能轉化成個體粒子的動能了,
而個體粒子的動能大小的宏觀表現就是溫度。

換句話說,
有粒子才有溫度。
什麼都沒有的「空間」,
溫度是沒有意義的。
所以「宇宙空間」是「絕對零度」這個說法不對,
「宇宙空間」沒有「溫度」這個概念。
打個比方就是,
有人問你妹妹今年幾歲,
答案是你根本沒有妹妹,
所以幾歲就沒有意義這樣。

當然,
宇宙空間中也不是全然的真空。
只要有粒子存在,
那麼就還是能定義其溫度。
就好比我們說實驗室裡的溫度為20攝氏度,
這個20攝氏度並不是指實驗室裡的這個空間,
而是實驗室裡面的空氣分子溫度為20攝氏度。
那我們同樣也可以類比,
宇宙空間裡的溫度有多少溫度,
指的就是宇宙空間裡的粒子有多少溫度。

但是,
宇宙空間顯然太大了!
舉例來說,
我們說地球的溫度有多少度時,
地球光南北極跟赤道的溫度就可以有近百攝氏度的溫差,
那你要用哪裡的數值做基準?
我們總得精確的說是兩極溫度還是赤道溫度吧?
最好還要加上時間,
因為日夜也是有溫差的。
所以說,
在講宇宙空間的溫度時,
我們也必須特定一個範圍這樣討論起來才有意義。

所以說,
在一般科幻作品中的宇宙空間裡,
除非這裡剛剛發生空氣洩漏等事件,
否則我們可以推定為:該空間屬於真空狀態。
既然我們定義的宇宙空間屬於沒有任何物質存在的真空狀態,
那麼溫度就沒有意義,
因此科幻作品裡的宇宙空間原則上來說是不能定義溫度的。

所以說殞冰被雷射炮打到熔化後會不會立刻結冰回去?
當然不會啊!
殞冰被加熱熔化以後水分子就脫離晶格結構的束縛了,
他就變成水蒸氣散到太空裡去了誰還跟你結冰?
咦?
你問為什麼不是形成液態水而是直接變成水蒸氣嗎?
這是因為真空狀態下沒有氣壓去束縛水分子。
液態水的存在是需要壓力的,
所謂液態跟氣態都是沒有結晶化的狀態所以可以自由變形,
但差別在於液態是受到壓力影響使他無法擺脫分子間的作用力因而可以保持固定體積,
你也可以反過來想成你把氣體分子壓縮壓縮壓縮到不能再壓縮的情況下它就液化了。
那麼既然宇宙空間沒有壓力去束縛這些水分子不准亂跑,
而殞冰的重力也不夠束縛水分子不准亂跑,
它當然就散走了呀!
所以結論:雷射炮還是可以把殞冰燒成水蒸氣的,
並不會無效。

從這裡我們就看出來了,
雷射炮加熱了殞冰的一部份,
被加熱的那一部份蒸發跑走了,
那,
它就永遠那麼熱嗎?
顯然是想太多了。

想想看太陽系裡的狀況就好了。
月球沒有大氣,
所以你可以把它視為一個在宇宙空間裡飄來飄去的大石頭。
大致上來說,
月球受太陽照射的那一面可以升到350開爾文左右,
而陰影那一面則低溫可以低到只有100開爾文左右,
一來一往差了250攝氏度之譜!
換句話說,
月球一面吸收來自太陽光的「加熱」,
另一方面也不斷地「散熱」,
這樣它才會有溫差嘛!
如果月球不會散熱,
那月球不就遲早會被太陽光給烤熟了嗎?

誠如一開始所說,
溫度的微觀表現就是粒子的震動程度大小,
因此也可以視為其攜帶動能的多寡。
太陽光就是太陽丟出來的光子,
當光子打到月球表面的原子後,
它會吸收這顆光子的全部能量來變成自己的動能,
因此它就被加熱了。
但它動一段時間就累了,
所以就會想把能量丟掉,
當然也是以光子的形式丟掉,
這個丟光子的行為就是「熱輻射」。
事實上,
所有的物體無時無刻都在熱輻射,
也就是無時無刻都在丟光子替自己降溫。
巧的是,
丟出來的光子頻率跟物體當時的溫度有關,
所以燒紅的鐵為什麼是紅色的?
這只是剛好因為那個溫度的鐵的熱輻射的光子頻率剛好是紅光而已。
而為什麼你發燒時不會發光?
這也只是剛好你發燒的溫度是紅外光所以沒人看的到而已。
但就是因為你會輻射紅外光,
所以機器可以感知,
人類才可以以此發明額溫槍來看你是不是發燒了。

所以具體來說,
我們中學學的熱傳導對流輻射,
其微觀的表現就是,
傳導:
粒子與粒子碰撞導致動能轉移,
動能從高處往低處傳,
因此表現出來的就是高溫往低溫流動。
對流:
針對流體而言因為流體的密度與溫度有關,
因此流體可以因為溫差而開始攪拌流動,
這會加大粒子碰撞的機率,
而有碰撞就有動能轉移,
因此微觀上跟傳導實質相同。
輻射:
所有的粒子都是肥宅,
喝到了肥宅快樂水很開心就蹦蹦跳跳,
蹦蹦跳跳的肥宅很燙就是這麼來的。
但是爽過了之後就會累會想要尿尿,
於是他把肥宅快樂水變成尿尿排掉,
然後它就不快樂了所以就不動了,
也就是冷掉了。

所以說,
粒子本身攜帶的動能就是溫度的微觀表現,
那麼絕對零度就很好理解,
就是這個粒子不動了,
那自然溫度就是絕對零度啦!
反過來說,
粒子攜帶的動能很大很大很大,
溫度就會很高很高很高,
所以別說三百開爾文,
三百萬開爾文甚至三億開爾文的溫度都不是不可能,
只要這個粒子能夠攜帶這麼大的能量的話。
因此,
人類最近在玩核聚變說要幾億度(幾億攝氏度跟幾億開爾文原則上已經沒有差別了),
你當然不可能真的用溫度計去量它有幾億度,
你哪個材料能夠承受幾億度的高溫啊?
再說真的有這麼一個溫度計能夠承受好了,
你一個接觸上去,
粒子的動能被溫度計吃掉,
那你測溫還會準嗎?
那麼這個幾億度又是如何測得的呢?
當然不是真的去側它的實際溫度,
而是去計算它攜帶的動能,
然後反推出它的溫度這樣。
剛剛說了嘛,
粒子的震度程度就是溫度,
所以溫度越高震動幅度越大,
震動幅度越大動能越大,
因此動能可以反推溫度,
邏輯是這樣來的。
聽起來好像很簡單,
可是實際上困難的要死。
你要想,
一個肥宅身邊有那麼多肥宅快樂水而周圍的肥宅都沒得喝會怎樣?
他們一定也上去搶的啊!
所以你怎麼能讓一個肥宅獨佔那麼多快樂水來觸發聚變反應就是難題所在。
再來那怕是指有一瞬間你讓那個肥宅佔領了那麼多快樂水,
你能維持多久呢?
畢竟你得讓第二個、第三個肥宅也佔領那麼多快樂水,
他們才能嗨到黏在一起並產生更多的快樂水。
唉,
宅宅相輕啊,
如果你不能持續穩定供應快樂水,
肥宅們怎麼可能願意擠在一起?
當然就不能發生聚變反應了啊。

至於聚變反應成功觸發後如何用來發電?
這問題太簡單了。
讓這些嗨過的頭肥宅去燒開水就行了。
把聚變反應提出的大量能量拿去燒水,
水開了變成水蒸氣推動蒸汽機就能將熱能轉化成機械能用以推動發電機發電,
這才是真正的宅力發電呢!


【結論】

問:什麼是溫度?
答:粒子本身的震動劇烈程度。震動越劇烈就代表溫度越高,反之亦然。

問:宇宙空間是絕對零度嗎?
答:不是。真空沒有溫度的概念。

問:溫度如何傳導轉化散失?
答:粒子相撞時就會發生動能轉移,這就是熱傳導。
  粒子運動累了就會想把能量丟掉,以光子的形式,這就是熱輻射。
  把粒子的動能轉給水,水變成水蒸氣後推動蒸汽機,蒸汽機帶動發電機就能轉化成人類所需要的電能。

問:核聚變需要的一億度是什麼概念?
答:粒子本身的動能算出來相當於一億度的概念。簡單說就是,它跑得很快。

封面圖片:pixiv id = 6022576 《東方Project》:霊烏路空 スペルカード:核熱:核反応制御不能ダイブ

90 巴幣: 226

創作回應

is樂小呈
這種的好棒[e7]
2021-01-22 19:28:35
愛天使亞夜
謝謝
2021-01-22 21:13:02
吼搭啦
所以你的妹妹呢?
2021-01-22 19:36:27
愛天使亞夜
今天才會回家
2021-01-22 21:12:52
函和言
真空也並非真的是空無一物,目前主流的量子力學觀點認為真空存在了不斷漲落的虛粒子,被稱為「量子漲落」
量子漲落可以看成是空間本身就帶有能量,會憑空生出正反粒子對後又相遇湮滅把能量還給空間,這也代表著空間隨時都可能存在運動的粒子,也就存在所謂的溫度
雖然溫度只是宏觀上的統計結果,但作為一個與能量時時相關的度量,也有許多人類尚未釐清的迷霧存在著
2021-01-23 00:35:23
愛天使亞夜
這個論點基本沒問題,然而對於科幻創作中如果沒有利用到量子漲落的情節那這部分就可以無視,因為並不會對既有物理現象造成影響。反過來說,如果作中描述的黑顆技包含了利用量子漲落的應用從真空中直接提取能量作為燃料,那當然就另當別論
2021-01-23 00:45:36
oVo巴爾坦星人
個人滿喜歡 量子力學 和 弦論
2021-01-24 01:14:19
愛天使亞夜
+1
2021-01-24 08:05:52

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