宇宙平均溫度僅-270.42℃，擁有無數(shù)恒星的宇宙，為何如此寒冷？

正如我們所知，宇宙中的恒星多得難以計(jì)數(shù)，每一顆恒星都算得上一個(gè)巨大的“核聚變反應(yīng)堆”，它們每時(shí)每刻都在向外釋放出大量的熱量，據(jù)此我們很容易認(rèn)為，宇宙平均溫度應(yīng)該不會(huì)太低。

但科學(xué)家卻告訴我們，宇宙平均溫度僅僅只有大約-270.42℃，而這樣的溫度，已經(jīng)相當(dāng)接近理論上的低溫極限——絕對(duì)零度（273.15℃）。那么，擁有無數(shù)恒星的宇宙，為何會(huì)如此寒冷呢？下面我們就來聊一下這個(gè)話題。

給宇宙測(cè)量溫度，一把特殊的“溫度計(jì)”

通常我們會(huì)將溫度描述為：溫度就是物體內(nèi)部微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)激烈程度的宏觀體現(xiàn)，但是，這樣的描述在宇宙尺度上卻很不合適。為什么呢？原因就是兩個(gè)字：空曠。

宇宙實(shí)在是太“空”了，空到超乎我們的想象。把宇宙中所有的物質(zhì)平均分配到整個(gè)空間里，你猜每立方米能分到多少？答案是：大約6個(gè)質(zhì)子的質(zhì)量。

在這樣一個(gè)幾乎“空無一物”的地方，你沒法像在地球上那樣，通過微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)的激烈程度來描述溫度。

那么，科學(xué)家們是如何描述宇宙溫度的呢？他們用了一種更聰明、也更符合宇宙實(shí)際情況的方法，這個(gè)方法的核心概念叫做“熱平衡”。

在日常生活中，我們常會(huì)遇到這樣的現(xiàn)象：當(dāng)一個(gè)物體被置于特定環(huán)境中，經(jīng)過一段時(shí)間后，它的溫度會(huì)逐漸與環(huán)境溫度保持一致，所以此時(shí)該物體的溫度便可視為該環(huán)境的溫度。

這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，其實(shí)就是因?yàn)槲矬w達(dá)到了熱平衡，即物體向外界釋放的熱量與從外界吸收的熱量恰好相等。

同樣的道理，如果在宇宙空間的某一區(qū)域放置一個(gè)物體，當(dāng)該物體與周圍環(huán)境達(dá)到熱平衡時(shí)，其溫度便可視為該區(qū)域的溫度。

在真空中，熱量傳遞的方式很單一，既不能像煮湯一樣通過對(duì)流，也不能像摸燙手的杯子一樣通過傳導(dǎo)。它只能依靠一種方式——輻射。輻射，說白了就是以電磁波的形式傳遞能量。從遙遠(yuǎn)的恒星射來的星光，本質(zhì)上都是電磁波。

所以，我們給宇宙測(cè)量溫度的“溫度計(jì)”，其實(shí)就是看一個(gè)物體在其中通過吸收和發(fā)出電磁波輻射，最終能穩(wěn)定在多少度。

恒星猶如孤獨(dú)的“篝火”，無法溫暖宇宙空間

現(xiàn)在我們有了測(cè)量方法，就可以回頭審視那些恒星了。它們確實(shí)是強(qiáng)大的熱源，通過核聚變產(chǎn)生驚人的能量，并以輻射的形式撒向宇宙。但問題是，這些“篝火”實(shí)在是太孤獨(dú)了。

宇宙的尺度，是任何地球上的經(jīng)驗(yàn)都無法比擬的。就拿我們所在的銀河系來說，恒星之間的平均距離大約是5.5光年。

為了讓大家有個(gè)更直觀的感受，我們可以來做一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)，假設(shè)有兩顆與太陽一樣的恒星，它們的距離為5.5光年，現(xiàn)在我們把它們縮小到一個(gè)足球那么大，那么按同等比例縮小的話，它們的距離是多少呢？答案可能會(huì)讓你大吃一驚：8200公里。

想象一下，你點(diǎn)燃了一堆篝火，然后問一個(gè)遠(yuǎn)在8200公里外的朋友，能不能感受到篝火的溫暖？這聽起來就像個(gè)笑話。

物理學(xué)上有一個(gè)著名的“平方反比定律”，它告訴我們，輻射能量的強(qiáng)度會(huì)隨著距離的平方而急劇衰減。就像手電筒的光，離得越近，光斑越小越亮；離得越遠(yuǎn)，光斑越大越暗。恒星的光和熱也是如此。

我們太陽系里的冥王星，與太陽的平均距離大約是59億公里。這個(gè)距離在恒星尺度上連“家門口”都算不上，即便如此，太陽光到達(dá)那里時(shí)已經(jīng)非常微弱，冥王星表面的溫度低至零下229攝氏度。

連太陽系內(nèi)部的“近郊”都如此寒冷，那些動(dòng)輒相隔幾光年的恒星之間，又能指望彼此傳遞多少熱量呢？所以對(duì)于廣袤的宇宙空間來說，恒星發(fā)出的能量，就像是黑夜里一根遙遠(yuǎn)的火柴，你最多只能看見它微弱的光，卻感受不到絲毫的暖意。

更進(jìn)一步說，恒星大多都聚集在星系這個(gè)“城市”里。而在“城市”與“城市”之間，是更加空曠、更加黑暗的星系際空間。這些空間的尺度動(dòng)輒就是幾十上百萬光年，那里幾乎是一片虛無。

所以雖然宇宙中有無數(shù)顆恒星在“燃燒”，但它們就像是散落在無邊曠野里的無數(shù)個(gè)孤獨(dú)的篝火堆。它們只能照亮和溫暖自己身邊極小的一塊地方，對(duì)于整個(gè)曠野的溫度，根本就起不到作用。

既然恒星指望不上，那么決定宇宙平均溫度的到底是什么呢？答案隱藏在宇宙最深邃的過去里。它是一種無處不在、卻又極其微弱的輻射，科學(xué)家們稱之為“宇宙微波背景輻射”。

來自創(chuàng)世之初的余輝

根據(jù)目前主流的“大爆炸宇宙論”，我們的宇宙誕生于大約138億年前一個(gè)無限致密、無限熾熱的奇點(diǎn)。

在宇宙誕生之初，整個(gè)宇宙就像一鍋滾燙的“粒子粥”，物質(zhì)和光混雜在一起，光子被粒子們不停地碰撞、吸收、再發(fā)射，根本無法自由傳播。那時(shí)的宇宙，雖然熾熱無比，卻是一片不透明的“迷霧”。

大約在“大爆炸”后的38萬年，宇宙的溫度降低到了一個(gè)臨界點(diǎn)（大約是3000攝氏度），在這個(gè)溫度下，質(zhì)子和電子終于可以穩(wěn)定地結(jié)合成中性的氫原子。這個(gè)過程，就像是沸騰的水蒸氣凝結(jié)成水滴，宇宙這鍋“粒子粥”的“霧氣”突然散去了。

就在那個(gè)時(shí)候，之前被困在“粒子粥”里的光子獲得了自由，于是它們像潮水一樣，向四面八方奔涌而去。

這批被釋放出來的光子，就被稱為宇宙中“最古老的光”，由于光速是有限的，因此它們至今仍然在宇宙中傳播，不過因?yàn)橛钪娴呐蛎洠诮?jīng)過大約138億年后，現(xiàn)在的它們已經(jīng)變成了微波。

這就是宇宙微波背景輻射的由來，它們不是來自某顆特定的恒星或某個(gè)特定的星系，而是來自宇宙誕生之初的那場“大爆炸”留下的余輝。

正如前言所言，恒星對(duì)宇宙平均溫度的“貢獻(xiàn)”微乎其微，至于其他能夠輻射熱量的天體，那就更不用提了，而這也就意味著，決定宇宙平均溫度的其實(shí)就是“宇宙微波背景輻射”。

重要的是，這種輻射是各向同性的，它們均勻地充斥著宇宙的每一個(gè)角落，平均每立方米的空間里，就有大約4.11億個(gè)這樣的微波光子在穿梭，也就是說，宇宙空間中任意位置接收到的這種輻射強(qiáng)度幾乎都是一樣的。

所以宇宙空間中任意位置的物質(zhì)都能夠通過這種方式獲得熱量，而在沒有其他熱源的情況下，當(dāng)物質(zhì)達(dá)到熱平衡時(shí)，其溫度就是“微波背景輻射”的等效溫度，根據(jù)科學(xué)家的測(cè)算，該溫度約為 2.73 K，也就是大約 -270.42 ℃，而這個(gè)溫度，就被認(rèn)為是宇宙平均溫度。

結(jié)語：

綜上所述，宇宙之所以會(huì)如此寒冷，根本原因就是：宇宙空間實(shí)在是太空曠了。