Температура в вакууме равна нулю?

Нет температуры.

Если использовать следующее определение «температура есть средняя кинетическая энергия частиц». Тогда нет частиц - нет температуры. На первый взгляд этот ответ кажется недостаточно хорошим, но если вы хотите рассчитать «средний спин» или «средний заряд», эти параметры не будут иметь смысла, если нет частиц для расчета данных.

Даже если удалить частицы, от границ будет исходить тепловое излучение . Таким образом, термометр, помещенный внутрь, в конечном итоге покажет температуру границ.

Понятие температуры не имеет смысла в условиях полного вакуума (имеется в виду отсутствие всех объектов). Это имеет смысл только как описание того, как сильно качаются некоторые объекты.

Чтобы обсудить проблему термометра, нужно сначала знать, что значит измерять температуру. «Просто вставьте термометр, подождите немного, и все готово», — слышу я слова людей. Ну, не совсем. Что происходит микроскопически?

В простейшем случае, если вы хотите измерить температуру образца, вам нужно прикрепить к нему термометр. Молекулы этих объектов будут взаимодействовать и со временем придут в тепловое равновесие. Тогда у термометра есть некоторая калибровка, которая говорит вам, что такая-то температура соответствует такому-то и такому-то сильному покачиванию его молекул. Что ж, должно быть очевидно, что для того, чтобы это работало, необходима концепция теплового равновесия. Но вы не добьетесь теплового равновесия, если в образце будет очень мало молекул. В частности ноль.

Также обратите внимание, что контакт поверхностей — не единственный способ достижения теплового равновесия. Подойдет любой процесс теплопередачи, а значит, любое взаимодействие. Таким образом, вы можете попробовать измерить температуру, например, с помощью электромагнитного излучения. Ну а если такой термометр вставить в совершенно пустую коробку, то в зависимости от свойств коробки электромагнитное излучение либо уйдет совсем и термометр покажет ноль, либо коробка задержит излучение и коробка уже не будет пустой (в ней будут фотоны) . В любом случае, то, что вы сейчас измеряете, — это не температура вакуума, а свойства передачи ЭМ коробки.

Подводя итог: проблема измерения не является тривиальной и привела физиков к очень многим открытиям. Тот факт, что вы не можете одновременно измерить положение и импульс, породил квантовую механику. Тот факт, что связи наших теорий элементарных частиц зависят от энергии, которую вы вкладываете в измерения, привел к перенормировке и лучшему пониманию квантовых теорий поля в целом. Поэтому всегда важно думать о том, что вы на самом деле измеряете под микроскопом.

Теперь позвольте мне немного поговорить о некоторых связанных вещах.

Снова представьте себе эту коробку с газом. По мере того, как вы понижаете температуру стенок, молекулы передают свою энергию стенкам и становятся медленнее. Теперь вы можете представить, что, делая это в течение длительного времени, вы в конце концов достигнете нулевой температуры, и все движение остановится.

На самом деле это невозможно, потому что вам потребуется бесконечное время, чтобы достичь такой температуры. И даже если бы у вас было это время, вы должны учитывать принцип неопределенности (вы не можете знать положение объекта абсолютно точно). На самом деле, охлаждение само по себе является большой областью физики и влечет за собой различные чрезвычайно сложные методы, которые очень близки к 0K.

Также обратите внимание, что на самом деле не существует вакуума (опять же в указанном выше смысле) из-за квантовых флуктуаций.

В соответствии с приведенным выше определением ответ не определяется математически, средняя кинетическая энергия равна

$\displaystyle 1/N \sum_{i=1}^N m_i*v_i^2/2$

Если мы подставим N=0, мы увидим, что он взрывается.

Теперь, если бы у нас было какое-то другое определение или газ не был бы квантован, возможно, мы могли бы принять предел как N->0

Изменить: это отвечает на ваш вопрос, если вы определяете термометр как нечто, измеряющее температуру, и вы определили температуру, как указано выше.

Вы не можете удалить все частицы из коробки. Даже если убрать все атомы, все равно внутри останутся фотоны, несущие свою кинетическую энергию. Фотоны генерируются стенками ящика и со временем достигают термостатического равновесия со стенками, поэтому температура внутри ящика будет такой же, как и температура стенок ящика.

Любое тело, помещенное в такой ящик, будет постепенно достигать той же температуры, что и у ящика, за счет излучения, даже если внутри нет атомов.

Только если стенки ящика находятся при абсолютном нуле, фотонов внутри не будет.

Вакуум не содержит радиации и других электромагнитных полей .

Стационарные вакуумы и вакуумы с постоянной скоростью не имеют температуры. Ускоренный вакуум имеет температуру - температуру Унру :

Это очень слабо. При ускорении земного притяжения это всего лишь$4×10^{−20}$К.