冷(光有温度吗)
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2023-11-09
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1. 冷,光有温度吗?
我们知道,温度是表征物体冷热程度的物理量。在18世纪,瑞典物理学家摄尔修斯把沸点定义为0度,冰点定义为0度。这看起来好像很奇怪,但是在瑞典这个常年寒冷的地区来说,他们使用的温度就会比较少出现负数,众所周知,人们是不喜欢负数的。随后,生物学家林奈认为,物体越热温度应该越大这才符合常理,于是它就把冰点改为0度,沸点改为100度,这也就是现行的摄氏温标。
酒精或者水银温度计就是利用热胀冷缩的原理制成的,在不同的温度下,酒精或者水银的膨胀高度是不一样的,因此我们就有了定量测定温度的工具了。不过,早期测量温度都是利用热传递的方式,温度计必须与被测物体相接触。近年来,随着科学技术的发展,我们已经可以利用热辐射来测定温度了。比如,额温枪就是收集人体发出的红外辐射来测量体温。在天文学上,科学家们利用天体发出的光来测定它们的温度和组成元素。
我们知道温度在微观上是分子热运动的剧烈程度,但是光又不是分子,那么我们是如何利用光来测定温度的呢?
绝对零度17世纪末,法国物理学家阿蒙顿发现空气的压强似乎与温度成正比。也就是说,当温度下降的时候,空气的压强就会下降。所以科学家发现,按照此规律推导,温度是不是会有一个下限,在这个温度下空气的压强变为零。一个多世纪之后,两位科学家提出了严格的气体定律:盖-吕萨克定律。一定质量的气体,在压强不变的情况下,气体的体积随温度呈线性变化。后来,他们测出了气体体积膨胀率为100/26666,并通过反推的方式得到了绝对零度。
不过,这个反推有点问题,因为在如此低的环境下,这些气体已经变成了液体或固体了,已经不符合标准气体定律了,那么这个绝对零度还准确吗?这个问题又过了很久,直到气体动理论的提出。温度是气体分子的平均动能的表征,当分子不动的时候,这时候的温度也就是绝对零度。但是绝对零度是永远达不到的,因为在微观层面上,原子的位置和动量是不能同时确定的,因此微观粒子的运动永远不可能停下来。
温度上限既然温度有下限,那么温度有没有可能有上限呢?我们知道,在微观层面,温度是分子的平均动能的表征。理论上,分子的动能可能是无限大的,所以你可能会认为温度是没有上限的。有些人可能会提出分子的运动速度不能超光速,那么这不就是温度的上限了吗?需要注意的是,我们这里提到的是动能而不是速度,因此当分子速度接近光速的时候,还要考虑它的动质量,综合下来分子的动能也是趋于无限的。
那么温度真的没有上限了吗?我们知道在任何温度下的物体都会产生热辐射,温度越高,辐射的频率越大,波长越小。比如太阳表面的温度大概为5800开尔文,那么它辐射的电磁波基本上都是在可见光波段。太阳中心温度大概为2000万开尔文,如果按照黑体辐射定律的话,那么它辐射的电磁波就是波长较短的X射线了。那么,当波长短到一定的极限时,这个就是温度的上限了。
物理学中有一长度为普朗克长度,它的数值为1.616x10^-35米。当某一个尺度比普朗克长度还小的时候,它已经没有意义了。因此,当光的波长等于普朗克长度的时候,我们此时可以算出温度的上限为1.4168x10^32开尔文。
普朗克黑体辐射定律黑体是物理学家假想出来的一种理想化的物体,它能够吸收所有的辐射并且不会有任何的反射和透射。物理学家以此作为标准来研究热辐射。
任何物质都具有不断发射、吸收和反射电磁波的能力。它们辐射出去的电磁波在各个波段是不同的,也就是说具有谱分布。这种谱分布与物体的温度有关。斯特藩-玻尔兹曼定律是热力学当中非常著名的公式,根据这个公式我们知道黑体表面辐射的能量密度与温度的四次方成正比。也就是说,温度越高,辐射的能量越大。
普朗克进一步将这些研究总结为黑体辐射定律。在任意温度下,黑体辐射的辐照率与频率之间存在着一定的关系。利用这个公式,我们可以从光谱中得到温度的信息。比如,我们可以利用光栅把太阳光分解成一系列不同波长的单色光,然后对这些光谱进行研究,就能知道太阳各个地方的温度了。毕竟,我们无法直接到太阳上直接进行测量。现在,这种方法已经成为天文学上的常规操作了。
黑洞的温度测量黑洞温度的这个想法可能会让你觉得很奇怪,因为黑洞会吸收一切,连光都无法逃脱,如何能测量它的温度。事实上,黑洞温度的概念与霍金辐射有关。
由于量子的涨落,在宇宙空间中会出现虚粒子,最常见的就是光子。一般情况下,这些虚粒子是成对出现的,它们会快速相结合而湮灭。但是当这些虚粒子出现在黑洞视界附近的时候,其中一半会落入黑洞,另一半则会自由地逃往宇宙空间。当你探测到这些从黑洞逃逸出来的粒子时,你就能知道黑洞的温度了。
黑洞的温度与它的质量大小成反比。一个拥有太阳数百万倍的黑洞,它的温度接近于绝对零度。一个质量和太阳一样的黑洞,它的温度为0.00000006开尔文。宇宙微波背景是宇宙诞生早期残留下来的光,由此算出的宇宙温度只有2.7开尔文。目前已知的黑洞的温度都比宇宙微波背景来得低,因此黑洞吸收的能量比蒸发的要多。
天文学家正在寻找宇宙诞生初期的黑洞,它到现在已经蒸发得足够小,温度比宇宙微波背景高。因此,它将持续地蒸发,直到质量损失到一定程度时发生爆炸而消亡,这是天文学家能观测到的了。
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1. 冷,光有温度吗?
我们知道,温度是表征物体冷热程度的物理量。在18世纪,瑞典物理学家摄尔修斯把沸点定义为0度,冰点定义为0度。这看起来好像很奇怪,但是在瑞典这个常年寒冷的地区来说,他们使用的温度就会比较少出现负数,众所周知,人们是不喜欢负数的。随后,生物学家林奈认为,物体越热温度应该越大这才符合常理,于是它就把冰点改为0度,沸点改为100度,这也就是现行的摄氏温标。
酒精或者水银温度计就是利用热胀冷缩的原理制成的,在不同的温度下,酒精或者水银的膨胀高度是不一样的,因此我们就有了定量测定温度的工具了。不过,早期测量温度都是利用热传递的方式,温度计必须与被测物体相接触。近年来,随着科学技术的发展,我们已经可以利用热辐射来测定温度了。比如,额温枪就是收集人体发出的红外辐射来测量体温。在天文学上,科学家们利用天体发出的光来测定它们的温度和组成元素。
我们知道温度在微观上是分子热运动的剧烈程度,但是光又不是分子,那么我们是如何利用光来测定温度的呢?
绝对零度17世纪末,法国物理学家阿蒙顿发现空气的压强似乎与温度成正比。也就是说,当温度下降的时候,空气的压强就会下降。所以科学家发现,按照此规律推导,温度是不是会有一个下限,在这个温度下空气的压强变为零。一个多世纪之后,两位科学家提出了严格的气体定律:盖-吕萨克定律。一定质量的气体,在压强不变的情况下,气体的体积随温度呈线性变化。后来,他们测出了气体体积膨胀率为100/26666,并通过反推的方式得到了绝对零度。
不过,这个反推有点问题,因为在如此低的环境下,这些气体已经变成了液体或固体了,已经不符合标准气体定律了,那么这个绝对零度还准确吗?这个问题又过了很久,直到气体动理论的提出。温度是气体分子的平均动能的表征,当分子不动的时候,这时候的温度也就是绝对零度。但是绝对零度是永远达不到的,因为在微观层面上,原子的位置和动量是不能同时确定的,因此微观粒子的运动永远不可能停下来。
温度上限既然温度有下限,那么温度有没有可能有上限呢?我们知道,在微观层面,温度是分子的平均动能的表征。理论上,分子的动能可能是无限大的,所以你可能会认为温度是没有上限的。有些人可能会提出分子的运动速度不能超光速,那么这不就是温度的上限了吗?需要注意的是,我们这里提到的是动能而不是速度,因此当分子速度接近光速的时候,还要考虑它的动质量,综合下来分子的动能也是趋于无限的。
那么温度真的没有上限了吗?我们知道在任何温度下的物体都会产生热辐射,温度越高,辐射的频率越大,波长越小。比如太阳表面的温度大概为5800开尔文,那么它辐射的电磁波基本上都是在可见光波段。太阳中心温度大概为2000万开尔文,如果按照黑体辐射定律的话,那么它辐射的电磁波就是波长较短的X射线了。那么,当波长短到一定的极限时,这个就是温度的上限了。
物理学中有一长度为普朗克长度,它的数值为1.616x10^-35米。当某一个尺度比普朗克长度还小的时候,它已经没有意义了。因此,当光的波长等于普朗克长度的时候,我们此时可以算出温度的上限为1.4168x10^32开尔文。
普朗克黑体辐射定律黑体是物理学家假想出来的一种理想化的物体,它能够吸收所有的辐射并且不会有任何的反射和透射。物理学家以此作为标准来研究热辐射。
任何物质都具有不断发射、吸收和反射电磁波的能力。它们辐射出去的电磁波在各个波段是不同的,也就是说具有谱分布。这种谱分布与物体的温度有关。斯特藩-玻尔兹曼定律是热力学当中非常著名的公式,根据这个公式我们知道黑体表面辐射的能量密度与温度的四次方成正比。也就是说,温度越高,辐射的能量越大。
普朗克进一步将这些研究总结为黑体辐射定律。在任意温度下,黑体辐射的辐照率与频率之间存在着一定的关系。利用这个公式,我们可以从光谱中得到温度的信息。比如,我们可以利用光栅把太阳光分解成一系列不同波长的单色光,然后对这些光谱进行研究,就能知道太阳各个地方的温度了。毕竟,我们无法直接到太阳上直接进行测量。现在,这种方法已经成为天文学上的常规操作了。
黑洞的温度测量黑洞温度的这个想法可能会让你觉得很奇怪,因为黑洞会吸收一切,连光都无法逃脱,如何能测量它的温度。事实上,黑洞温度的概念与霍金辐射有关。
由于量子的涨落,在宇宙空间中会出现虚粒子,最常见的就是光子。一般情况下,这些虚粒子是成对出现的,它们会快速相结合而湮灭。但是当这些虚粒子出现在黑洞视界附近的时候,其中一半会落入黑洞,另一半则会自由地逃往宇宙空间。当你探测到这些从黑洞逃逸出来的粒子时,你就能知道黑洞的温度了。
黑洞的温度与它的质量大小成反比。一个拥有太阳数百万倍的黑洞,它的温度接近于绝对零度。一个质量和太阳一样的黑洞,它的温度为0.00000006开尔文。宇宙微波背景是宇宙诞生早期残留下来的光,由此算出的宇宙温度只有2.7开尔文。目前已知的黑洞的温度都比宇宙微波背景来得低,因此黑洞吸收的能量比蒸发的要多。
天文学家正在寻找宇宙诞生初期的黑洞,它到现在已经蒸发得足够小,温度比宇宙微波背景高。因此,它将持续地蒸发,直到质量损失到一定程度时发生爆炸而消亡,这是天文学家能观测到的了。
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