宇宙の温度

絶対零度とは?

氷

水が液体から個体になる温度の境目を摂氏0度としています。0℃のことです。
数量を示すとき、「0」は無を意味します。数学で0より小さな数を扱うとき、「−(マイナス)」を使用しますね。某かの値を示すのではなく、単純に数を示すために使われます。0より小さな値とはどのような意味があるのでしょうか。マイナス千円といえば借金が1000円ですから、絶対値として1000円の借金があるという事です。海抜0mは海面の平均高度です。マイナス10mとなれば水中や海面より低い場所です。その場所から海面までの距離が絶対値で示され10mです。

 

さて、0℃とは。元々は1気圧での水の沸騰温度を0度として、低い方に水が凍る温度を100度としていました。スエーデンの天文学者、アンデルス・セルシウスと言う人物が考案しました。彼の死後、この表記を逆にし、氷を0℃、沸点を100℃に変更されたのです。「摂氏」はセルシウスの名前が由来です。

 

さて、メインタイトルに3度と申しましたが、正解に表現すると3K(ケルビン)のことです。3Kと4Kの差は正確、ドンピシャ1℃です。
ごちゃごちゃくどいですが、重要なことですから、もう少し続けます。
「命がない。」とかがあって、「ない」より下は存在しません。つまり、「ある」とか「ない」は絶対量のことであって、相対量とは違います。つまり、さっきの海面と地下との距離は歴然と10mありますが、海抜−10mのことです。距離を表現するのは常に絶対量です。場所を示すときは相対量を用いなくては表現できません。

 

「温度」を考えたとき、プラス方向には無限の値が想定できます。しかし、マイナスは氷の温度を基準にしただけであって、「無」が存在するのです。その温度は−273.15℃です。少しややこしいのですが、0℃が水の凍る温度であったのは昔の話で、厳密には、273.15Kが0℃です。そして、詳しくは省きますが水の3重点を0.01℃、つまり273.16Kと決めています。

 

0Kの状態は「エネルギー」がない状態です。数学上(統計力学)では、もちろんマイナスケルビンも想定できますが、物理学上はこの温度を「絶対零度」と呼んでいます。 絶対零度ではエネルギーがないので、何も動かないのではありません。「零点振動」と言う固体の量子力学で言う「ゆらぎ」があります。この振動のため、ヘリウムは真空中では固体になれません。

 

ポイント 今回のポイントは、絶対零度とは、熱が存在しない温度がある。
   次回は、宇宙空間を3度温めているのは何?です。

真空の温度って何?

温度計

宇宙の温度の意味の説明は割と簡単です。納得できると思います。例えば、部屋に寒暖計があって、その温度を見てみます。18℃であれば、その部屋の空気の温度です。屋外の気温の場合、地上1.2mのところに「百葉箱」と言う箱があって、そこに寒暖計が入っていますね。日光が当たらないように箱に入れてあるます。なぜでしょうか?

 

部屋の寒暖計を赤外線ストーブの前にかざしてみましょうか。温度が上がっていきませんか?この温度は何の温度を測っていると思いますか?

 

実は、その寒暖計についている赤い色をつけたアルコールが封入されているガラス棒の温度なんです。つまり、気温を測っているのですが、直接測っているのではなく、空気の熱がガラスに伝わりその熱で中のアルコールが膨張してその液面のメモリを見ているのです。ですから、ストーブの前にかざした寒暖計はストーブから放射されている赤外線によりガラス管が加熱され、その温度を示しているのです。赤外線によりエネルギーの放射があったのです。

 

宇宙空間は真空です。厳密には真空ではありませんが、ここではややっこしくなるので、真空としましょう。で、長らく、宇宙空間の温度ということを考えた人はいなかったのです。なぜなら何もないので測る対象がありませんから。したがって、太陽に面した物体は加熱されるけれど、太陽の影響を受けない場所の温度を考えることすらなかったのです。もちろん、宇宙には太陽以外に赤外線などのエネルギーを放射する天体は無数にありますから、幾分は放射を受けるでしょうが、今、ここで問題にしているのは、その様な放射を受けない空間のことです。

 

1965年。アポロ11号が人類を月へ運んだ4年前です。アメリカの二人の物理学者(元電気通信技士)アーノ・ペンジアス博士とロバート・ウイルソン博士が偶然、この「3K」を発見したのです。何もないところに熱があるのです。この発見は当時、物理学上の革命的大発見だったんです。このエネルギーの放射されている方向を調べて見ても全然分かりません。というより、あらゆる方向から放射されていることがわかったのです。浴槽の水温が43℃みたいに、真空にも関わらず−270℃もあったのです。たった3℃と思うかもしれませんが、例えば、43℃より3℃高いお湯46℃のお風呂は、ほとんどの人は熱くて大変なはずです。
この放射を「宇宙背景放射」と呼びます。

 

ポイント 今回のポイントは、宇宙は「宇宙背景放射」により絶対零度より3℃高い。
   次回は、「宇宙背景放射」のエネルギー源は何?です。

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