Сами по себе фотоны температуры как таковой не имеют. Однако фотоны вносят свой вклад в температуру объектов, поскольку они несут энергию. Очень хорошим примером является микроволновое фоновое излучение, которое, как известно, способствует температуре Вселенной около 3К. Можно вычислить частоту этих фотонов, используя основное соотношение$k_BT_{mwb}=hf$куда$k_B=1.381\times 10^{-23}$Дж.К.$^{-1}$и$h=6.63\times 10^{-34}$Js, так что частота оказывается в микроволновом диапазоне электромагнитного спектра. Фотоны влияют на температуру вашего тела, когда вы сидите на солнце и поглощаете солнечный свет.

Чем дальше от солнца, тем холоднее, верно, но это потому, что интенсивность солнечного света обратно пропорциональна квадрату расстояния от солнца. На Земле мы получаем около 1350 Вт/м$^2$солнечной энергии. Но на Марсе, который находится примерно в 1,52 расстояния от Земли до Солнца, она составляет всего около 584 Вт/м.$^2$.

На самом деле это просто расширение ответа JKL, поскольку я хотел обсудить его точку зрения о микроволновом фоне, но сначала стоит упомянуть, что, хотя отдельные фотоны не имеют температуры, ЭМ-излучению можно присвоить температуру. ЭМ-излучение, испускаемое объектом, имеет спектр, который зависит от его температуры по закону Планка . Поэтому, если вы измеряете спектр излучения, иногда можно присвоить ему температуру по закону Планка, и именно так космическому микроволновому фону присваивается температура 2,7 Кельвина.

Но вернемся к реликтовому излучению: я предполагаю, что ваш вопрос заключается в том, может ли отдельный фотон терять энергию, излучая, как охлаждающийся объект, и ответ — нет. Однако свет может охладиться , если пространство-время, в котором он движется, расширяется. Свет охлаждается, потому что его энергия распространяется по большему объему пространства. Вот как космический микроволновый фон остыл от своей первоначальной очень высокой температуры около 3000 К до нынешнего значения 2,7 К.

Мы должны быть осторожны с таким вопросом, потому что и понятие фотона, и понятие температуры не являются однозначными.

Фотон:

Лэмб (1995, из бараньей смены) писал:

автору не нравится использование слова «фотон», которое датируется 1926 годом. По его мнению, фотона не существует. Только комедия ошибок и исторических случайностей привела к его популярности среди физиков и ученых-оптиков.

Одна из причин объясняется, среди прочего, Wald (1994):

стандартные трактовки квантовой теории поля в плоском пространстве-времени в значительной степени полагаются на симметрию Пуанкаре (обычно неявно включаемую в анализ через разложения по плоским волнам) и интерпретируют теорию в первую очередь в терминах понятия «частицы». В общем, искривленном пространстве-времени не существует ни симметрии Пуанкаре (или другой симметрии), ни полезного понятия «частицы», поэтому необходимо «разучить» ряд знакомых инструментов и концепций теории поля, чтобы иметь четкое представление о квантовом поле. теория искривленного пространства-времени. [п. ix] [...] понятие «частицы» не играет принципиальной роли ни в формулировке, ни в интерпретации теории. [п. 2]

По сути, два наблюдателя в двух разных системах отсчета вообще не могут договориться даже о количестве фотонов, не говоря уже об их «идентичности». См. также Дэвис (1984).

Фотон — это квант энергии моды электромагнитного поля, см., например, van Enk (2003) для очень краткого обзора. Это означает не только то, что фотоны не имеют температуры, но и то, что они не имеют, не теряют и не приобретают энергию, и при этом они на самом деле не «путешествуют».

Скорее, мы можем говорить об энергии и о температуре (но см. ниже) моды электромагнитного поля. Фотоны, грубо говоря, являются отсчетом квантованной энергии этой моды. На мой взгляд, лучшее место для понимания связи между полевыми модами, их энергией и фотонами — это лекции Глаубера (1965).

Температура:

Термин «температура» обозначает множество различных понятий и величин, так или иначе связанных друг с другом. Эти отношения в одних случаях понимаются, а в других — и сегодня — нет. Есть недавняя вдохновляющая книга Биро «Есть ли температура?»: Концептуальные проблемы при высоких энергиях, ускорении и сложности (2011), в которой исследуется эта сложная сеть отношений.

Например, есть (макроскопическая) термодинамическая температура. И есть статистические температуры, по крайней мере, двух видов: одна связана с неопределенностью и стохастической изменчивостью, другая — со средним пространственно-временным значением. О связи между ними см., например, Kirkwood (1946) и Murdoch & Bedeaux (1996). Соотношения между этими температурами ясны, например, для идеального газа, но еще не так ясны для более сложных систем; на самом деле отношения могут быть даже не уникальными (Jepps, Ayton, Evans 2000).

Насколько мне известно, с макроскопической точки зрения электромагнитное поле не имеет термодинамической температуры. Это делают только материальные тела – как видно, например, из термина « температура черного тела », который связан с «излучением черного тела». Эта ассоциация дает нам связь между электромагнитным полем и термодинамической температурой, но лично я не приписываю эту температуру электромагнитному полю. См. Hutter & van de Ven (2006) для обзора макроскопического описания.

С микроскопической и статистической точки зрения мы можем связать статистическую температуру с (видом) электромагнитного поля: такая температура является коэффициентом, обобщающим или параметризующим нашу неопределенность в отношении энергии поля, и, таким образом, с квантово-теоретической точки зрения , наша неуверенность в количестве фотонов в (моде) поля. Наша неопределенность задается обычными больцмановскими формулами, классическими или квантовыми. С этой неопределенностью связано также наше среднее значение энергии. Это отношение неявно понимается, когда мы говорим, например, о температуре микроволнового фона.

Подводя итог в очень грубых терминах, количество фотонов говорит вам о количестве энергии электромагнитного поля (моды), полученного при определенной экспериментальной процедуре (эта последняя точность необходима в квантовой теории). Температура говорит вам кое-что о вашей неуверенности в результате такого измерения или, что то же самое, о том, какую изменчивость вы обнаружите в зарегистрированном количестве фотонов, когда будете повторять такое измерение в идентичных экспериментальных условиях.

использованная литература

• Биро: (2011) Есть ли температура?: Концептуальные проблемы при высокой энергии, ускорении и сложности (Springer).

• Дэвис (1984): Частиц не существует . В Кристенсене (ред.): Квантовая теория гравитации (Хильгер), 66.

• Глаубер (1965): Оптическая когерентность и фотонная статистика . В DeWitt-Morette, Blandin, Cohen-Tannoudji (eds): Quantum Optics and Electronics (Gordon & Breach), 63.

• Хаттер, ван де Вен (2006): Взаимодействие электромагнитного поля с веществом в термоупругих твердых телах и вязких жидкостях (Springer).

• Джеппс, Эйтон, Эванс (2000): Микроскопические выражения для термодинамической температуры . физ. Ред. Е 62, 4757.

• Кирквуд (1946): Статистическая механическая теория транспортных процессов: I. Общая теория . Дж. Хим. физ. 14, 180.

• Лэмб-младший (1995): Антифотон . заявл. физ. Б 60, 77.

• Мердок, Бедо (1996): Микроскопический взгляд на физические основы механики сплошной среды - Часть I: Макроскопические состояния, воспроизводимость и макроскопическая статистика в заданных масштабах длины и времени . Междунар. J. Engng Sci. 34, 1111.

• ван Энк (2003): Запутанность электромагнитных полей . физ. Ред. А 67, 022303.

• Уолд (1994): Квантовая теория поля в искривленном пространстве-времени и термодинамика черных дыр (University of Chicago Press).

Предположим, что солнце излучает определенное количество фотонов, так что на расстоянии 1 м от поверхности Солнца через каждый квадратный метр проходит 1 миллион фотонов. По мере того как фотоны распространяются радиально от Солнца, их количество остается прежним, но они должны покрывать все большие и большие площади. В 10 м от солнца те$10^6$фотоны покроют площадь$10$Икс$10 = 100m^2$. Так что плотность фотонов будет в 100 раз меньше, чем на 1 м. Это показывает, как по мере удаления от Солнца плотность фотонов уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния от Солнца.

Это то, что заставляет температуру планет уменьшаться по мере их удаления от Солнца.

При температуре теплового равновесия$T$определяется

Планеты, находящиеся дальше от Солнца, холоднее, чем близкие, потому что один и тот же поток фотонов распространяется на большую площадь по сравнению с размером планеты: площадь поперечного сечения Земли составляет большую часть площади поверхности сферы размером с ее орбиту. чем у Нептуна для его орбиты. Это означает, что на Нептун попадает меньше фотонов на единицу площади, чем на Землю. Фотоны действительно теряют часть энергии, уходя так далеко (красное смещение от гравитации Солнца, это из общей теории относительности), но этот эффект крошечный .

Ну, не только общая энергия определяет температуру, но и «качество» энергии. Температура является мерой средней кинетической энергии или также связана с длиной волны фотона. При наличии огромного количества фотонов микроволнового диапазона температура нигде не может подняться выше 3К. Классически и близко к реальности именно закон смещения Вейнса определяет температуру в спектре.

Я читаю другие ответы, и я хотел бы попытаться прийти к своему пониманию и услышать, где я ошибаюсь.

Прежде всего, довольно сложно выяснить, состоит ли космическое фоновое излучение в основном из фотонов. Я знаю, что это "электромагнитное излучение". Но это просто фотоны, верно? На какой-то частоте, которую мы не можем видеть, другими словами, какой-то особый цвет света?

Похоже, что у отдельных фотонов есть энергия, которая может быть передана при столкновении с атомом (например, как раскаленный докрасна космический обогреватель/радиатор заставит атомы в его поле зрения услышать), но это НЕ то, о чем говорят физики, когда они сказать, что определенный набор фотографий «имеет температуру».

Что они имеют в виду? Что ж, если фотон излучается объектом в виде теплового излучения, то частота фотона дает вам информацию, которую вы можете использовать для определения подразумеваемой температуры объекта-источника.

Также было высказано предположение, и я предполагаю, что оно подтвердилось, что фотоны, путешествующие в расширяющемся пространстве-времени, будут терять частоту, что равносильно потере подразумеваемой температуры их источника.

Итак, теперь мы наблюдаем, что вокруг нас окружает окружающий, беснаправленный поток фотонов, и что-то в относительной частоте фотонов, которые мы наблюдаем в разных направлениях, заставляет нас думать, что они из одного и того же исходного источника, просто сдвинутые по частоте на разную величину. , и мы думаем, что причина в том, что они путешествовали по областям пространства, где пространство-время расширялось с разными относительными скоростями. И наше лучшее предположение относительно подразумеваемой температуры источника, для ВСЕХ этих фотонов, с поправкой на все различные расширения, является безумно высокой температурой; и наше лучшее предположение о местоположении состоит в том, что все фотоны исходили из одной и той же точки в пространстве.

По законам физики электромагнитные частицы, называемые фотонами, по отдельности имеют нулевую термодинамическую температуру. Это удивительное открытие означает, что это самые холодные из существующих квантовых частиц.