Почему абсолютный нуль считается асимптотическим? Разве в таких областях, как массивные промежутки между скоплениями галактик, не может быть температура абсолютного нуля?

Мы можем приблизиться к абсолютному нулю только асимптотически, потому что мы не можем высосать тепло из системы. Единственный способ отвести тепло — поместить нашу систему в контакт с чем-то более холодным и позволить теплу течь от горячего к холодному, как это обычно и происходит. Поскольку нет ничего холоднее абсолютного нуля, мы никогда не сможем вывести все тепло из системы.

Мы можем снизить температуру, увеличив размер системы и разбавив тепло. На самом деле, именно поэтому температура реликтового излучения (космического микроволнового фона) составляет всего 2,7 К, а не миллионы К, как это было вскоре после Большого взрыва. Расширение Вселенной разбавило тепло, оставшееся от Большого Взрыва, и понизило температуру. Однако для достижения абсолютного нуля таким способом потребовалось бы бесконечное разбавление и, следовательно, бесконечное время, поэтому Вселенная приближается к абсолютному нулю асимптотически.

На самом деле, если предположить, что темная энергия не исчезнет, ​​Вселенная никогда не остынет до абсолютного нуля, даже за бесконечное время. Это связано с тем, что ускоренное расширение, вызванное темной энергией, создает космологический горизонт, и это создает излучение Хокинга. Излучение Хокинга будет поддерживать температуру выше абсолютного нуля.

Текущая физика установила, что основная структура является квантовой. Основным принципом квантовой механики является принцип неопределенности Гейзенберга , HUP.

Это гарантирует, что для частиц не может быть точного измерения или условия нулевой кинетической энергии, поэтому ансамбль частиц не может иметь определенную температуру, равную 0.

Фотоны также являются частицами и пронизывают наблюдаемую Вселенную, даже самое пустое пространство, это известно как оставшееся излучение с того времени, когда Вселенная стала прозрачной для электромагнитных волн. Это называется космическим микроволновым фоном, реликтовым излучением, и его средняя энергия составляет 2,7 К.

Вот что мы наблюдаем:

Карта всего неба CMB, созданная на основе данных WMAP за 9 лет.

Ноля нет, хотя есть холодное пятно :

«Холодное пятно» примерно на 70 мкК холоднее, чем средняя температура реликтового излучения (приблизительно 2,7 К), тогда как среднеквадратичное значение типичных изменений температуры составляет всего 18 мкК.

Таким образом, даже если наша Вселенная огромна, не существует места без фотонов, и HUP гарантирует, что нулевой температуры не существует.

Также следует помнить, что квантование гравитации заполнит пространство гравитонами, которые также будут элементарными частицами и будут нести некоторую энергию, сколь бы малой она ни была, и тоже будут подчиняться ГУП. Так что в любой интересной Вселенной не может быть 0К.

Классическая физика (интуитивный) отвечает: температура — это свойство материи, то есть своего рода оценка кинетической энергии частиц. Если у вас нет частиц, нечем измерять температуру.

Математический ответ: поскольку температура изменяется путем умножения на действительное число, единственный способ достичь 0 — это иметь объект уже на нуле для начала, который будет поглощать всю окружающую энергию. Этот объект, насколько мне известно, не обнаружен (кроме гравитационных сингулярностей, существование которых вызывает сомнения).

В термодинамике температура определяется из нулевого закона (да, они думали об этом после первого, второго и третьего... - потом поняли, что забыли что-то довольно фундаментальное). Нулевой закон таков:

Если система А находится в тепловом равновесии с системой В, а система В находится в тепловом равновесии с системой С, то система А находится в тепловом равновесии с системой С.

Это причудливый способ сказать, что «температура существует». Но он также говорит, что «температура существует, когда что-то может быть в равновесии с чем-то другим».

Термодинамика на самом деле имеет дело только с крупномасштабной реакцией системы - когда вы спускаетесь на уровень отдельных частиц, вы смотрите на кинетику частиц и делаете утверждения о «температуре», основанные на средней кинетической энергии.

Никакая область космоса не является «вечно пустой». Хотя в любой момент времени может существовать большая область пространства без частиц в ней, вы не можете на самом деле знать , что она пуста, и в тот момент, когда вы обнаружите, что она не пуста, вы столкнетесь с частицей. Если эта частица была действительно стационарной (в таком случае — как вы с ней столкнулись?), акт ее измерения передаст некоторый импульс (принцип неопределенности), так что она больше не находится в состоянии покоя.

Другими словами, макроскопически нельзя сказать, что пустая область пространства имеет «нулевую» температуру; и микроскопически любая попытка измерить ноль сделает его «не таким».

Вселенная пронизана космическим микроволновым фоновым излучением, которое имеет температуру$2.7$K. Любая область во Вселенной должна иметь по крайней мере эту температуру.

В пустом пространстве не было бы частиц, которые могли бы «нагреться», но все равно было бы ЭМ-излучение различных длин волн. Поскольку никакое место не может быть бесконечно далеко от любого источника ЭМИ, уровень радиации никогда не может упасть до нуля. В любом случае реликтовое излучение повсюду.

Теперь, если вокруг нет материи , чем вы меряете температуру? Вы могли бы так же легко заявить, что температура бесконечна, поскольку она равна 0 К. Вам нужно точно определить, что именно вы ищете под «температурой».

На этот вопрос было много ответов, и мой ответ, вероятно, затеряется в море ответов и различных мнений. Однако, поскольку он значительно отличается от предложенных точек зрения, я мог бы набросать его здесь.

Недавние дебаты о тепловых потоках, отрицательных температурах и понятии энтропии в статистической термодинамике позволили поднять вопросы о понятии температуры. В частности, отрицательные температуры (которые, хотя и остаются спорными, но достаточно четко определены), по-видимому, противоречат тому факту, что нулевая температура не может быть достигнута. Это также противоречит интуиции, поскольку отрицательные температуры горячее, чем бесконечные температуры, что не имеет смысла, когда так говорят.

Оказывается, ни одна из этих концептуальных несоответствий не возникает, если вместо рассмотрения температур мы рассматриваем обратные температуры, часто обозначаемые как$\beta = 1/(k_B T)$.

В этом случае тепло всегда поступает от низких$\beta$значения выше$\beta$значения независимо от их знака. Также понятие абсолютного нуля соответствует бесконечному значению$\beta$а поскольку нет конца бесконечности, нет конца и тому, чтобы приблизиться к абсолютному нулю, не достигнув его никогда.

Я думаю, что это самое разумное и простое объяснение вашего вопроса.

Квантовая механика и принцип неопределенности (который только что дал ответ) утверждают, что составляющие частицы системы должны подвергаться движению (изменению состояния), иначе они могут быть локализованы с произвольной точностью.

Абсолютный нуль температуры по (классическому) определению — это температура, при которой система представляет собой « идеальный кристалл » (энергетическое состояние определенной симметрии, в котором ничто не движется и не изменяется дальше).

Таким образом, прочесывая вышеприведенные 2, следует, что абсолютный нуль является асимптотическим.

С точки зрения квантовой механики, даже основное состояние « пустоты » не имеет нулевой температуры, но действительно может испытывать флуктуации .

ОБНОВИТЬ:

Проверьте этот вопрос относительно дальнейшей связи между принципом квантовой неопределенности и термодинамикой.