网友:“物质的温度(例如加速器中的粒子)在加速时是否会升高,特别是当它接近光速时是否会达到极高的温度?”
回答:在过去的13年里,我对物理和相关主题产生了浓厚的兴趣。
事实证明,一个单一粒子,就像问题中所说的那种,并没有一个可定义的温度。物理学家把温度称为“宏观”量:它是一种平衡状态下的“集合”(本质上是指某些东西的集合)的属性。所以,我们可以讨论一杯水或一块金属的温度,或组成物体的任何其他原子集合的温度。
我们测量的温度不是由原子本身引起的,而是源于它们在物体中的随机运动:原子的随机速度越快,温度就越高。请注意随机运动和净运动的区别:虽然在一个沸腾的水壶中,每个水分子都有每秒数百米的随机运动,水壶自身却一动也不动。
所有这些随机运动相互抵消(这当然是“随机”的定义),所以净运动为0,温度会升高。因此,温度不像原子的电荷或质量那样是一个基本的物理量,而是描述粒子群随机运动的一种方便、可测量的方法。
这里有一个问题:如果你不是以粒子集合,而是以单个粒子作为对象,那么你就不能定义它的运动中的随机部分和净部分(因为这种情况下没有关于随机运动可以被定义的参考)。所以,你不能给加速器中的一个粒子指定一个温度,因为它是单个粒子。也有一个比较难理解的观点认为粒子的随机运动也许是加速器中的圆形路径的细微偏差,这种随机运动是由加速粒子的强大磁场的波动所引起的:然而在影响力上,这种随机运动至多也只能转化为几度的开尔文温度。
如果你加热一种物质,直到它的随机运动接近光的速度,会发生什么?答案是不知道。我们定义和理解的温度的概念,只有当构成物体的粒子的随机运动相对于比光速慢的速度移动时才成立。如果不满足这个条件,我向你们描述的内容就不再有效。目前我们的高速集合理论还没有发展到能够在达到光速的速度下定义一个公认的温度概念的程度。
相关资料
克里斯汀·斯佩肯斯的个人简介:主要研究星系的动力学,以及它们能教给我们的有关宇宙暗物质的知识。她于2005年8月在康奈尔大学获得博士学位,2005年至2008年在罗格斯大学任杨斯基博士后研究员,现在是加拿大皇家军事学院和女王大学的教员。
相关名词解释
相对论速度是指由于相对论效应对所观察到的现象的测量精度产生重要影响的速度。相对论效应是指介于考虑和不考虑相对论的模型计算值之间的差异。与速度相关的词有快速、瞬间和敏捷。速度是一个标量,是速度矢量的大小,在相对论中是四维速度,在三维欧几里得空间中是三维速度。
虽然目前常用的设备可以估计速度在非常小的间隔和接近瞬时速度,但是我们所用的速度是一个靠经验测量的平均速度。非相对论性差异包括速度检测装置在测量三维速度的一个标量分量时产生的余弦误差和可能影响波长和频率观测的多普勒效应。
参考资料
1.维基百科全书
2.天文学名词
3. Jane- astro
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