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宇宙冷熱大對決

2014/09/02 | | 標籤:
宇宙冷熱大對決

自然界中已知最冷的角落是回飛棒星雲,只有攝氏零下272度。

文/吳俊輝|台灣大學物理系暨天文物理研究所教授,劍橋大學宇宙學博士

超過30度的夏天就會令人感到暑熱難耐,而低於10度的冬天就已令許多人不得不披上大衣。事實上,地表最熱的天然高溫可達攝氏近60度,最著名的莫過於加州的死亡谷,而最冷的天然低溫則可達攝氏約零下90度,位於南極,地球上約有九成的冰都在那裡。那麼,整個宇宙中最熱和最冷的地方在哪呢?分別是多熱及多冷?

一分鐘學冷熱

所謂的溫度高低,說穿了就是一般物質粒子的「運動快慢」:運動快的溫度高,慢的溫度低。熱能由高溫處往低溫處傳遞,其實就像是當高速的車子(高溫粒子)撞上低速的車子(低溫粒子)時,高速車會變慢(粒子溫度降低)而低速車會變快(粒子溫度升高)。例如用手去觸摸爐上高溫的金屬鍋會燙傷,並不是因為有個叫做「熱」的東西破壞了我們的手,而是高速振動的金屬粒子「撞傷」了我們的表皮細胞!同樣地,凍傷是因為生物組織裡的粒子動能散逸到四周較低溫的環境中,以致賴以運作的水結成冰而無法輸送物質。那麼為什麼水分子在常溫時是液體,低溫時(運動慢)會變硬邦邦的固體,而在高溫時(運動快)會變自由奔放的氣體?這所謂的相變問題其實仍是理論物理學界的難題,目前可理解為:當粒子動得慢時容易緊密排列在一起而成為固體,但動得太快時則傾向四處飛奔而成為氣體。

當粒子不動時,那它就是處於最低溫的狀態,稱為絕對零度,或稱克氏零度,等同於攝氏零下273度。克氏溫標每增加一度,攝氏溫標也增加一度,所以攝氏零度就等於克氏273度。科學上較常用克氏溫標,因為它的大小直接告訴我們粒子運動的劇烈程度。

先看太陽系:最熱的地方

太陽系天然最熱的地方當然就是太陽了,但我們所熟悉的「克氏五千多度」其實是指太陽的表面溫度,是太陽內部更高溫區的能量經對流帶到表面所造成,這就像是水在鍋中加熱時,鍋底火源的高熱會經由對流逐步帶到水面上一樣。太陽內部的熱源,就是核融合所產生的能量1:宇宙中的一般物質會因重力而彼此越靠越近、越跑越快,就像是兩塊小磁鐵靠近時會彼此加速而撞在一起一樣,當這些粒子夠近、夠快而撞在一起時,就有機會發生核融合,開始發光發熱,形成恆星。太陽內部發生核融合的核心半徑約為太陽半徑的四分之一,密度約為水的150倍,溫度可達約克氏1,600萬度,這般的自然力量實在令人歎為觀止!

先看太陽系:最冷的地方

人類所能探知的範圍中,長期以來大家認為太陽系天然最冷的地方在冥王星,但可憐的冥王星不但在2006年被人類投票拔除了它行星的頭銜,近年來的新觀測也顯示,太陽系內最冷的地方其實不在冥王星,而是位於我們鄰近的月球!月球的南極附近有些隕石坑因四周高起的地形,常年照不到陽光,因此溫度保持在約克氏33度(約攝氏零下240度),比地表的最低溫還少了150度!

月球隕石坑。圖片來源:NASA

月球隕石坑。圖片來源:NASA

放眼宇宙:最熱的地方

撇開人造的環境不談,目前臆測宇宙中最熱的地方應是超新星爆發的核心,可達克氏千億度(約為太陽核心溫度的6,000倍)以上,甚至有人認為黑洞 內部的溫度實際上可以遠超過這個溫度,只是散逸不出來罷了。雖然這些臆測因受限於目前的科技而量測不到,但我們不禁要問:既然溫度有最低的極限(絕對零度),那它有最高的上限嗎?目前已知的物理理論只能探究克氏1032 (即一億兆兆)度以下的物質世界,該溫度稱為普朗克溫度,在高於普朗克溫度的環境下,量子效應將使所有已知的物理定律變得不適用。

探討宇宙演化的現代宇宙理論也無法超越這個極限,我們常說宇宙的溫度會隨著宇宙的膨脹而降低,也就是說越年輕的宇宙溫度越高,但目前的物理理論仍是無法探究高於普朗克溫度的時期,也就是無法探究宇宙年齡小於5.4×10-44(約一億兆兆兆分之五)秒的年代,這個時間極限稱為普朗克時間。

放眼宇宙:最冷的地方

依據目前量測到的數據及宇宙學理論,宇宙現在的年齡約為138億歲,平均溫度約為克氏三度(即攝氏零下270度),而我們觀測到的宇宙範圍中,最低溫的地方位在距離我們約5,000光年的回飛棒星雲(Boomerang Nebula),它的局部溫度只有克氏一度左右!這是去年由地表最大的無線電天文望遠鏡ALMA所觀測到的結果。為何它的溫度可以比四周的溫度還低攝氏兩度?其實這和我們打開可樂易開罐時看到的白煙現象是一樣的道理。易開罐內氣體在瞬間膨脹降溫,而空氣中的水氣遇冷凝結成小水珠,就是我們看到的白煙;這種絕熱膨脹所造成的降溫現象也是電冰箱和冷氣機的運作原理。回飛棒星雲其實是一團向外高速擴張的星際雲氣,它膨脹會造成星雲局部的降溫。一般認為回飛棒星雲極可能是太陽等恆星在死亡時的宿命,就像是臨終前用盡最後一分力氣的迴光返照,它的相關研究將幫助我們了解恆星的演化。

人類打造的極端溫度

除了前述的天然溫度,人類還創造出更為極端的溫度。2012年人類利用大型強子對撞機(LHC)將重離子加速至接近光速時撞擊後,換算出來的瞬間溫度至少高達克氏數兆度! 1997年的諾貝爾物理獎頒給了「利用雷射來冷卻原子」的技術,這項技術則可將粒子的溫度降到幾乎絕對零度,自然界中還找不到如此低溫的環境!

搞了半天,原來宇宙中已知最熱和最冷的地方,都在地球上!

【完整內容請見《BBC知識國際中文版》第37期(2014年9月號)。版權所有,轉載請註明出處。】

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