为什么光和热经过又黑又冷的太空没有散失掉呢?

如题所述

这个问题很有趣,看似简单却蕴含了大量物理知识,下面我举例子由浅入深的解答一下。

为什么有太阳,太空中却是一片漆黑

夜晚的万家灯火和星空有点相似,从远处望去灯火如同一颗颗发光的恒星,而其余地方一片漆黑。


把万家灯火拆开分析天黑了,家里打开灯(光源),家里亮了(反射光),大楼对面的你看到了屋内的景象。(光源和反射光经过传播,到达接收者的眼中),以上哪个过程缺失都会导致黑暗。

我们再看看太空与万家灯火的区别,首先太空很空旷,传播不是问题。我们天天都仰望星空,所以接收者也不是问题。那么只剩下光源了。我们题目认为太阳为光源,似乎完美的构成了以上条件,为何太空不发光呢?

太阳是自发光的光源,现实生活中大量物体是无法自发光的,我们能够看见它们是因为物体反射了光源给予它们的光。

阳光照射到太空中,我们要想看到太空的光,太空空间中的物质应该把阳光通过他们自身反射到我们的眼睛中,就如同下图光在天空中反射。


实际上,空气的主要成分是透明的并无法反射光,地球上之所以会出现这样的场景是因为空气并不纯净,光束经过的地方存在大量可反射特定频率光的微小颗粒,这些小颗粒就成了新的光源,反射光进入了你的眼中,你就看到了光束。

而太空之所以黑暗是因为宇宙空间接近真空,并没有反射光的物质。更深入来讲,宇宙空间中的粒子太少,无法与太阳光能发生作用。(从量子力学来解释,不想深入可直接跳到为什么阳光没有加热宇宙空间)光的来源自发光的光源,可以说是由光子决定的(波粒二象性)。当光源物质接收到能量(核聚变、火中加热、荧光灯等离子体被电激发)原子中的电子被激发到较高能态时,由于不稳定会下降到较低能态,于是便把额外的能量通过发射光子释放出去,根据物质元素不同,初始状态和最终状态之间的能量差不同,光子所具有的能量不同。


绝大多数的反射机制:

当光照射到物体,如果能量较弱,那么物体中的电子会根据自身初始状态和最终状态之间的能量差,吸收对应频率的光,并将其余频率的光反射出去。光源来源于太阳,但是万物反射回来的光却不相同,于是我们看到了色彩斑斓的万物。

宇宙空间并非绝对真空,外层空间含有密度很低的物质,以等离子态的氢为主。其中还有电磁辐射、磁场等。理论上,外层空间可能还包含暗物质和暗能量,并没有可以与光子相互作用的电子,无法反射出具备宇宙空间特性的光,只能是一片漆黑。

为什么阳光没有加热宇宙空间

同样举个例子先简单回答:我们烧开一壶水,同时倒入一个杯子和一个保温杯中(拧紧盖子)。我们能发现杯子下的桌子会发烫、水会变凉,而保温杯的水较热。原因是杯子中的水把热量传递给了周边的空气和物质。保温杯密封的比较严实,所以不易与空气或者物质发生接触,从而保存热量。


和光同样的道理,宇宙中较为真空。阳光的本质为电磁辐射,承载着能量,因为宇宙空间中没有物质传导能量,于是阳光并无法使宇宙空间升温。

阳光传递热量的本质

阳光源于自身大质量引发的引力坍缩,在高压高温的环境下物质发生了核聚变释放的能量,这个能量以电磁辐射的形式向宇宙四处扩散。


在上文提到过物质可以吸收特定的光,地球的大气成分中主要为氧、氮、二氧化碳、氩、臭氧等微量气体。空气的透明是因为其中大部分为氧气和氮气,它们没有偶极矩,并不会与大部分波段的电磁波发生作用,所以无法把阳光直接转化为热量。只有二氧化碳、臭氧、水蒸气等气体可以吸收部分阳光,所以我们叫它们温室气体。(例如臭氧可以吸收紫外线)


太阳辐射经过大气层红外波段和紫外波段会被吸收和散射,但由于温室气体占比太小,所以大部分热量还是以电磁辐射的形式直冲地面,把热量传递给地面的万物。万物再把热量传递给地表的空气,所以地球才有了温度。可见阳光也不是谁来都能接的。


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