Средняя температура Вселенной

Температура — это свойство системы, находящейся в равновесии, когда нет чистого потока энергии между различными степенями свободы в системе.

Во Вселенной есть ряд систем, которые примерно находятся в равновесии по отдельности (и поэтому имеют четко определенные температуры), но не находятся в равновесии друг с другом. Реликтовое излучение является одной из таких систем, ¹ и действительно его температура$2.7\ \mathrm{K}$.

С другой стороны, большая часть (барионного, т.е. нормального) вещества во Вселенной находится в форме ионизированных атомов вне галактик, сконцентрированных везде, где галактики сгруппированы. Эта внутрикластерная среда имеет температуру$10^7\mathrm{-}10^8\ \mathrm{K}$диапазон.

Если вы хотите усреднить по вселенной, вы можете попробовать присвоить веса различным компонентам, но не совсем ясно, какими они должны быть. Дело в том, что Вселенная не находится в идеальном равновесии, и единственный способ определить температуру — это поместить термометр (реальный или гипотетический) в равновесие с тем, для чего вам нужна температура. Вы не можете привести свой термометр в равновесие со всеми частями Вселенной, не уравновесив одновременно эти части (« нулевой закон термодинамики »).

Лучшее, что вы можете сделать, это определить тепловую связь со всеми различными компонентами и спросить, какую температуру достигает ваш термометр в установившемся режиме. Например, типичная макроскопическая заполненная ртутью трубка, помещенная в межгалактическое пространство, будет относительно хорошо взаимодействовать с излучением (она будет поглощать фотоны реликтового излучения и излучать излучение черного тела в соответствии с законом Стефана-Больцмана) и не так хорошо с поступательным. кинетическая энергия межгалактического водорода (потому что было бы так мало столкновений в единицу времени). В результате этот конкретный термометр достиг бы устойчивого состояния очень близко к$2.7\ \mathrm{K}$, во время которых он будет получать небольшую струйку тепла от случайных столкновений с очень быстрыми атомами водорода, выделяя это тепло в виде излучения.

¹ Интересно, что реликтовое излучение не имеет хороших средств для уравновешивания, поскольку фотоны реликтового излучения больше не рассеиваются, не поглощаются и не переизлучаются. Но распределение энергий, тем не менее, заморожено, как и излучение черного тела, поэтому температура хорошо определена.

Использование слова «Среднее» указывает на точное число, что означает, что вам придется использовать точные значения, поэтому...

Средняя температура = сумма (температура всех точек во вселенной) / объем во вселенной

• Если Вселенная расширяется, а количество тепла постоянно, то «средних значений» не существует, поскольку Вселенная постоянно становится «холоднее».
• Если Вселенная расширяется и существует постоянное среднее значение, то это означает, что общее количество тепла постоянно увеличивается, что (насколько мне известно) наука считает абсурдным.
• Если было постоянное «среднее» и общее количество тепла также постоянно, то Вселенная не расширяется и… происходит Большой взрыв!

Температуру тела на удивление сложно определить. Обычно мы говорим: «Если А находится в тепловом равновесии с В, то они имеют одинаковую температуру». Но если вы измеряете всю вселенную, это не работает.

Более насущная проблема заключается в том, что Вселенная даже не находится в равновесии сама с собой — далеко не так. Таким образом, сегодня «средняя температура» не имеет смысла. По мере увеличения энтропии Вселенной будет увеличиваться и степень равновесия. Сейчас нет разумного ответа на ваш вопрос. И к тому времени, когда на этот вопрос можно будет ответить, беспокойства о температуре Вселенной уже не будет в нашем списке.