如果宇宙有平均溫度,那麼宇宙的平均溫度是多少?如果宇宙沒有,那麼銀河系的的平均溫度是多少?

本來想像是宇宙如此浩瀚無垠,同時還在擴張,那麼宇宙的平均溫度應該無限接近於絕對零度。但是後來想了一下,宇宙雖然大,但是絕大多數是真空的存在,按我的理解,真空中沒有物質也就沒有溫度一說。若是按物質溫度而定義宇宙溫度的話,那麼考慮到恆星大規模存在平均下來溫度可能不低,因此我很好奇,如果宇宙有平均溫度一說,那麼這個溫度是多少?又是大概如何測算出來的呢?
如果目前宇宙平均溫度無法測算,那麼銀河系的平均溫度是多少呢?如何測算?
謝謝大家!


首先先解釋一下如何測量溫度:一般情況下,對於溫度的測量,我們直接拿一個溫度計去衡量就可以了.然而,你不能拿溫度計去測宇宙各處溫度,因為水銀在零下39度就會凍結,356.73度就會蒸發.同樣,大部分地球上通行的溫度測量方法在宇宙里是不能使用的.

所以我們採用其他的方法測量.對於大部分條件下,根據熱力學,溫度實際上反映了大量微觀粒子相互碰撞的平均動能:我們有定義式:T=3mv^2/k_b,可以根據粒子運動速度來計算.
對於處於氣態的粒子,可以根據理想氣體方程計算:T=pV/Nk
如果單純的認為宇宙是理想黑體,遵循黑體輻射.根據維恩位移定律,簡單的計算方法:T=2.897 772 	imes10^{-3}/lambda . lambda 為輻射強度最高值對應的波長.

對於我們現今的宇宙來說,平均密度為4.5 	imes  10^{-28} kg/m^3,算算看,氫原子的實際質量為1.674×10?2?千克.這也就是說,每立方米平均只有0.28個氫原子(如果考慮氦原子,那麼每立方米只有0.2個),這種條件下,不存在大量微觀粒子互相碰撞.況且,現在宇宙現在不處於平衡態,所以單純的用經典熱力學定義的溫度去計算所有的物質平均溫度沒有意義.同樣,宇宙中98%的物質處於等離子態,也不能用理想氣體公式計算.

所以,我們採用第三種方法,雖然宇宙是高真空,但是真空中仍然存在這電磁波.宇宙中每立方米有4.11億個光子.因而所有物質都能感受到熱輻射能.

在宇宙大爆炸剛開始,所有的物質都聚集在一起,所以宇宙在那時是處在熱平衡態,而且隨著宇宙逐步冷卻.這個時期一直延續到宇宙誕生後38萬年,所有的物質和光子溫度都在3000K左右.之後,物質和光子分離.光子隨著宇宙膨脹逐步冷卻,到了今天,輻射譜峰值在微波波段(1.063 mm),換算過來2.73K( ?270.42 °C; ?454.76 °F) .這個輻射光又被稱為宇宙的微波背景輻射.它的發現在1978年諾貝爾物理學獎,而對其黑體輻射譜線的精確測定和各向異性獲得2006年諾貝爾獎.這也是普遍認同的宇宙溫度.

如果單純考慮物質的話就非常複雜.物質隨著加熱機制和冷卻機制的不同,會有著不同的溫度:
對暗物質,因為暗物質不參與電磁作用,所以暗物質沒有熱輻射。由於暗物質主要是引力勢能轉化為動能,動能會增加,速度將達到每秒300km以上,我們用分子動能關係來假設存在一個和普通物質對應的溫度,它的"溫度"將達一千萬K.但是,一般談暗物質我們喜歡拿它和光速運動的粒子,比如中微子比較.暗物質粒子的速度顯然遠遠低於光速.所以這些暗物質又被成為"冷暗物質"

對普通物質,主要是氫和氦,會分布在氫分子雲,中性氫,恆星內/即便是同樣的分子雲,在不同地方也會有著不同的溫度。討論起來會相當麻煩。如果硬要討論,由於大量的普通物質在恆星內,所以總體物質的溫度會相當高,大約1萬K以上,當然這是個非常不精確的估計值。
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銀河系作為星系,其溫度在不同地方是不一樣的:
銀河系外圍熱氣體暈(Hot Gas Halo),直徑約30~40萬光年.溫度1百萬到2百萬攝氏度,NASA - The Milky Way"s Hot Gas Halo
銀河系暗物質暈(Dark Matter Halo),直徑和熱氣體暈類似,準確的說,宇宙演化史上,暗暈是先形成的,隨後物質落入並形成星系,而沒落入星系的熱氣體就分布在暗暈中.
銀河系內部:恆星外表幾千到一萬K,內部一千萬到幾億K.恆星附近行星幾千K到幾K不等.分子雲20K左右,星際介質溫度從幾十K到上萬(取決與離附近恆星,尤其是大質量恆星距離).超新星上千億K,黑洞噴流物質可以達10億K,吸積盤溫度從幾十K到上百萬K.但是,絕大多數星際空間溫度和宇宙平均溫度一致,比冥王星還要冰冷~


謝邀。

傳統意義上的溫度是個統計學量,宇宙平均來說是高度真空的,沒有足夠的粒子來支撐「溫度」這個概念。

或許我們可以通過熵來定義宇宙的溫度,但我不知道該怎麼算。


不考慮各種星體天體,宇宙背景輻射就是那個平均溫度~另外題主你需要去搞明白一下,真空不空、量子漲落以及卡西米爾效應~


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