Los fotones en sí mismos no tienen temperatura como tal. Sin embargo, los fotones contribuyen a la temperatura de los objetos ya que transportan energía. Un muy buen ejemplo es la radiación de fondo de microondas que se sabe que aporta una temperatura al universo de aproximadamente 3K. Uno puede calcular la frecuencia de estos fotones usando la relación básica$k_BT_{mwb}=hf$donde$k_B=1.381\times 10^{-23}$JK$^{-1}$y$h=6.63\times 10^{-34}$Js, por lo que la frecuencia resulta estar en la parte de microondas del espectro electromagnético. Los fotones contribuyen a la temperatura de tu cuerpo cuando te sientas al sol y absorbes la luz del sol.

Cuanto más te alejes del sol, más fresco, correcto, pero esto se debe a que la intensidad de la luz solar es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia al sol. En la Tierra recibimos unos 1350 W/m$^2$de energía solar. Pero en Marte, que está a unos 1,52 de la distancia entre la Tierra y el Sol, es sólo de unos 584 W/m$^2$.

Esta es realmente solo una extensión de la respuesta de JKL, ya que quería retomar su punto sobre el fondo de microondas, pero primero vale la pena mencionar que aunque los fotones individuales no tienen temperatura, a la radiación EM se le puede asignar una temperatura. La radiación EM emitida por un objeto tiene un espectro que depende de su temperatura a través de la ley de Planck . Entonces, si mide el espectro de radiación, a veces es posible asignarle una temperatura a través de la ley de Planck y, de hecho, así es como se le asigna al fondo cósmico de microondas la temperatura de 2,7 kelvin.

Pero volviendo al CMB: supongo que su pregunta es si un fotón individual puede perder energía al irradiarse como un objeto que se enfría, y la respuesta es no. Sin embargo, la luz puede enfriarse si el espacio-tiempo a través del cual viaja se está expandiendo. La luz se enfría porque su energía se distribuye en un mayor volumen de espacio. Así es como el fondo cósmico de microondas se ha enfriado desde su altísima temperatura original de unos 3.000K hasta su valor actual de 2,7K.

Debemos tener cuidado con esta pregunta, porque tanto la noción de fotón como la de temperatura no son sencillas.

Fotón:

Lamb (1995, del cambio Lamb) escribió:

al autor no le gusta el uso de la palabra "fotón", que data de 1926. En su opinión, no existe tal cosa como un fotón. Solo una comedia de errores y accidentes históricos llevó a su popularidad entre los físicos y científicos ópticos.

Wald (1994) explica una razón, entre otras:

Los tratamientos estándar de la teoría cuántica de campos en el espacio-tiempo plano se basan en gran medida en la simetría de Poincaré (generalmente ingresa al análisis implícitamente a través de expansiones de ondas planas) e interpreta la teoría principalmente en términos de una noción de "partículas". Ni la simetría de Poincaré (u otra) ni una noción útil de "partículas" existen en un espacio-tiempo curvo general, por lo que una serie de herramientas y conceptos familiares de la teoría de campos deben "desaprenderse" para tener una comprensión clara del campo cuántico. teoría en el espacio-tiempo curvo. [pag. ix] [...] la noción de "partículas" no juega un papel fundamental ni en la formulación ni en la interpretación de la teoría. [pag. 2]

Básicamente, dos observadores en dos marcos de referencia diferentes generalmente ni siquiera estarán de acuerdo en la cantidad de fotones, y mucho menos en sus "identidades". Véase también Davies (1984).

Un fotón es un cuanto de energía de un modo del campo electromagnético; consulte, por ejemplo, van Enk (2003) para obtener una descripción general muy concisa. Esto significa que no sólo los fotones no tienen temperatura, sino que tampoco tienen ni pierden ni ganan energía, ni "viajan" realmente.

Más bien, podemos hablar de la energía y de la temperatura (pero ver más abajo) de un modo del campo electromagnético. Los fotones son, en términos generales, un recuento de la energía cuantificada de ese modo. En mi opinión, el mejor lugar para comprender la relación entre los modos de campo, su energía y los fotones son las conferencias de Glauber (1965).

La temperatura:

El término "temperatura" denota muchas nociones y cantidades diferentes, de alguna manera relacionadas entre sí. Estas relaciones se entienden en algunos casos, pero -todavía hoy- no en otros casos. Hay un estimulante libro reciente de Biró, Is There a Temperature?: Conceptual Challenges at High Energy, Acceleration and Complexity (2011), que explora esta compleja red de relaciones.

Está la temperatura termodinámica (macroscópica), por ejemplo. Y hay temperaturas estadísticas, de al menos dos tipos: una relacionada con la incertidumbre y la variabilidad estocástica, la otra con un promedio de espacio-tiempo. Para la relación entre los dos, véase, por ejemplo, Kirkwood (1946) y Murdoch & Bedeaux (1996). Las relaciones entre estas temperaturas son claras para un gas ideal, por ejemplo, pero aún no tan claras para sistemas más complejos; de hecho, las relaciones pueden incluso no ser únicas (Jepps, Ayton, Evans 2000).

Hasta donde yo sé, desde una perspectiva macroscópica, el campo electromagnético no tiene una temperatura termodinámica . Solo los cuerpos materiales lo hacen, como se desprende, por ejemplo, del término " temperatura de cuerpo negro ", que se asocia con "radiación de cuerpo negro". Esta asociación nos da un vínculo entre el campo electromagnético y la temperatura termodinámica, pero personalmente no adscribo esa temperatura al campo electromagnético. Consulte Hutter & van de Ven (2006) para obtener una descripción general de la descripción macroscópica.

Desde un punto de vista microscópico y estadístico, podemos asociar una temperatura estadística con (un modo de) el campo electromagnético: dicha temperatura es el coeficiente que resume o parametriza nuestra incertidumbre sobre la energía del campo, y así, desde un punto de vista teórico cuántico. , nuestra incertidumbre sobre el número de fotones en el (modo de) el campo. Nuestra incertidumbre viene dada por las fórmulas usuales tipo Boltzmann, clásicas o cuánticas. Relacionada con esta incertidumbre está también nuestra suposición media de la energía. Esta es la relación implícitamente entendida cuando hablamos de la temperatura del fondo de microondas, por ejemplo.

Para resumir en términos muy aproximados, el número de fotones te dice la cantidad de energía de un campo electromagnético (modo), obtenido bajo un procedimiento experimental específico (esta última precisión es necesaria en la teoría cuántica). La temperatura le dice algo sobre su incertidumbre sobre el resultado de dicha medición, o de manera equivalente, cuánta variabilidad observará en el número registrado de fotones a medida que repite dicha medición en condiciones experimentales idénticas.

Referencias

• Biró: (2011) ¿Existe la temperatura?: Desafíos conceptuales a alta energía, aceleración y complejidad (Springer).

• Davies (1984): Las partículas no existen . En Christensen (ed.): Teoría cuántica de la gravedad (Hilger), 66.

• Glauber (1965): Coherencia óptica y estadística de fotones . En DeWitt-Morette, Blandin, Cohen-Tannoudji (eds): Quantum Optics and Electronics (Gordon & Breach), 63.

• Hutter, van de Ven (2006): Interacciones de la materia del campo electromagnético en sólidos termoelásticos y fluidos viscosos (Springer).

• Jepps, Ayton, Evans (2000): Expresiones microscópicas para la temperatura termodinámica . física Rev. E 62, 4757.

• Kirkwood (1946): La teoría mecánica estadística de los procesos de transporte: I. Teoría general . J. Chem. física 14, 180.

• Lamb, Jr (1995): Antifotón . aplicación física B 60, 77.

• Murdoch, Bedeaux (1996): Una perspectiva microscópica sobre los fundamentos físicos de la mecánica continua - Parte I: Estados macroscópicos, reproducibilidad y estadísticas macroscópicas, en escalas prescritas de longitud y tiempo . En t. J. Engng Sci. 34, 1111.

• van Enk (2003): Enredo de campos electromagnéticos . física Rev. A 67, 022303.

• Wald (1994): Teoría cuántica de campos en espacio-tiempo curvo y termodinámica de agujeros negros (University of Chicago Press).

Suponga que el sol emite una cierta cantidad de fotones, de modo que, a 1 m de la superficie del sol, 1 millón de fotones atraviesan cada metro cuadrado. A medida que los fotones se propagan radialmente desde el sol, su número permanece igual, pero tienen que cubrir áreas cada vez más grandes. A 10m del sol, esos$10^6$los fotones cubrirán un área de$10$X$10 = 100m^2$. Entonces la densidad de los fotones será 100 veces menor que a 1 m. Esto muestra cómo, a medida que te alejas del sol, la densidad de fotones disminuye inversamente proporcional al cuadrado de la distancia al sol.

Eso es lo que hace que las temperaturas de los planetas se reduzcan con su distancia al sol.

A temperatura de equilibrio térmico$T$es definido por

Los planetas más alejados del sol son más fríos que los cercanos porque el mismo flujo de fotones se distribuye en un área mayor en comparación con el tamaño del planeta: el área de la sección transversal de la Tierra es una fracción mayor del área de superficie de una esfera del tamaño de su órbita. que la de Neptuno por su órbita. Esto significa que menos fotones por unidad de área llegan a Neptuno que a la Tierra. Los fotones pierden algo de energía al salir tan lejos (desplazamiento al rojo de la gravedad del sol, esto es de la relatividad general), pero este efecto es pequeño .

Bueno, no es solo la energía total la que determina la temperatura, sino también la "calidad" de la energía. La temperatura es una medida de la energía cinética promedio o también está relacionada con la longitud de onda del fotón. Si tiene una enorme cantidad de fotones en el rango de microondas, es posible que la temperatura en cualquier lugar no supere los 3K. Clásicamente y cercano a la realidad, es la ley de desplazamiento de Weins la que determina la temperatura en un espectro.

Estoy leyendo otras respuestas, y me gustaría tratar de llegar a mi comprensión y escuchar dónde me equivoco.

En primer lugar, algo que es bastante difícil de encontrar es si la radiación cósmica de fondo consiste básicamente en fotones. Sé que es "radiación electromagnética". Pero eso es solo, como, fotones, ¿verdad? ¿En alguna frecuencia que no tenemos los ojos adecuados para ver, en otras palabras, solo algún color de luz en particular?

Parece que los fotones individuales tienen energía que se puede transferir al golpear un átomo (por ejemplo, cómo un calentador/radiador al rojo vivo hará que los átomos en su línea de visión escuchen), pero esto NO es a lo que se refieren los físicos cuando digamos que un conjunto particular de fotos "tiene temperatura".

¿Qué quieren decir? Bueno, si un objeto emite un fotón en forma de calor radiante, entonces la frecuencia del fotón le brinda información que puede usar para calcular la temperatura implícita del objeto fuente.

También se ha teorizado, y supongo que confirmado, que los fotones que viajan a través del espacio-tiempo en expansión perderán frecuencia, que es lo mismo que perder la temperatura implícita de su fuente.

Así que ahora observamos que existe este flujo ambiental de fotones sin dirección a nuestro alrededor, y algo acerca de la frecuencia relativa de los fotones que observamos en varias direcciones nos hace pensar que provienen de la misma fuente original, solo que cambiaron de frecuencia en diferentes cantidades. , y creemos que la razón es que han viajado a través de regiones del espacio donde el espacio-tiempo se expandía a diferentes velocidades relativas. Y nuestra mejor suposición en cuanto a la temperatura de la fuente implícita, para TODOS estos fotones, ajustándose a todas las diversas expansiones, es una temperatura locamente caliente; y nuestra mejor suposición para la ubicación es que todos los fotones vinieron del mismo punto exacto en el espacio.

De acuerdo con las leyes de la física, las partículas electromagnéticas llamadas fotones individualmente tienen una temperatura termodinámica cero. Este asombroso descubrimiento significa que son las partículas cuánticas más frías que existen.