網(wǎng)友：“物質(zhì)的溫度(例如加速器中的粒子)在加速時(shí)是否會(huì)升高，特別是當(dāng)它接近光速時(shí)是否會(huì)達(dá)到極高的溫度?”
回答:在過去的13年里，我對(duì)物理和相關(guān)主題產(chǎn)生了濃厚的興趣。
事實(shí)證明，一個(gè)單一粒子，就像問題中所說的那種，并沒有一個(gè)可定義的溫度。物理學(xué)家把溫度稱為“宏觀”量：它是一種平衡狀態(tài)下的“集合”（本質(zhì)上是指某些東西的集合）的屬性。所以，我們可以討論一杯水或一塊金屬的溫度，或組成物體的任何其他原子集合的溫度。
我們測(cè)量的溫度不是由原子本身引起的，而是源于它們?cè)谖矬w中的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)：原子的隨機(jī)速度越快，溫度就越高。請(qǐng)注意隨機(jī)運(yùn)動(dòng)和凈運(yùn)動(dòng)的區(qū)別:雖然在一個(gè)沸騰的水壺中，每個(gè)水分子都有每秒數(shù)百米的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，水壺自身卻一動(dòng)也不動(dòng)。
所有這些隨機(jī)運(yùn)動(dòng)相互抵消(這當(dāng)然是“隨機(jī)”的定義)，所以凈運(yùn)動(dòng)為0，溫度會(huì)升高。因此，溫度不像原子的電荷或質(zhì)量那樣是一個(gè)基本的物理量，而是描述粒子群隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的一種方便、可測(cè)量的方法。
這里有一個(gè)問題：如果你不是以粒子集合，而是以單個(gè)粒子作為對(duì)象，那么你就不能定義它的運(yùn)動(dòng)中的隨機(jī)部分和凈部分（因?yàn)檫@種情況下沒有關(guān)于隨機(jī)運(yùn)動(dòng)可以被定義的參考）。所以，你不能給加速器中的一個(gè)粒子指定一個(gè)溫度，因?yàn)樗菃蝹€(gè)粒子。也有一個(gè)比較難理解的觀點(diǎn)認(rèn)為粒子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)也許是加速器中的圓形路徑的細(xì)微偏差，這種隨機(jī)運(yùn)動(dòng)是由加速粒子的強(qiáng)大磁場(chǎng)的波動(dòng)所引起的：然而在影響力上，這種隨機(jī)運(yùn)動(dòng)至多也只能轉(zhuǎn)化為幾度的開爾文溫度。
如果你加熱一種物質(zhì)，直到它的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)接近光的速度，會(huì)發(fā)生什么？答案是不知道。我們定義和理解的溫度的概念，只有當(dāng)構(gòu)成物體的粒子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)相對(duì)于比光速慢的速度移動(dòng)時(shí)才成立。如果不滿足這個(gè)條件，我向你們描述的內(nèi)容就不再有效。目前我們的高速集合理論還沒有發(fā)展到能夠在達(dá)到光速的速度下定義一個(gè)公認(rèn)的溫度概念的程度。
相關(guān)資料
克里斯汀·斯佩肯斯的個(gè)人簡(jiǎn)介：主要研究星系的動(dòng)力學(xué)，以及它們能教給我們的有關(guān)宇宙暗物質(zhì)的知識(shí)。她于2005年8月在康奈爾大學(xué)獲得博士學(xué)位，2005年至2008年在羅格斯大學(xué)任楊斯基博士后研究員，現(xiàn)在是加拿大皇家軍事學(xué)院和女王大學(xué)的教員。
相關(guān)名詞解釋
相對(duì)論速度是指由于相對(duì)論效應(yīng)對(duì)所觀察到的現(xiàn)象的測(cè)量精度產(chǎn)生重要影響的速度。相對(duì)論效應(yīng)是指介于考慮和不考慮相對(duì)論的模型計(jì)算值之間的差異。與速度相關(guān)的詞有快速、瞬間和敏捷。速度是一個(gè)標(biāo)量，是速度矢量的大小，在相對(duì)論中是四維速度，在三維歐幾里得空間中是三維速度。
雖然目前常用的設(shè)備可以估計(jì)速度在非常小的間隔和接近瞬時(shí)速度，但是我們所用的速度是一個(gè)靠經(jīng)驗(yàn)測(cè)量的平均速度。非相對(duì)論性差異包括速度檢測(cè)裝置在測(cè)量三維速度的一個(gè)標(biāo)量分量時(shí)產(chǎn)生的余弦誤差和可能影響波長(zhǎng)和頻率觀測(cè)的多普勒效應(yīng)。
參考資料
1.維基百科全書
2.天文學(xué)名詞
3. Jane- astro
聯(lián)系客服
