¿Por qué el cero absoluto se considera asintótico? ¿No tendrían regiones como espacios masivos entre cúmulos de galaxias temperaturas de cero absoluto?

Solo podemos acercarnos asintóticamente al cero absoluto porque no podemos extraer calor de un sistema. La única forma en que podemos sacar el calor es poner nuestro sistema en contacto con algo más frío y dejar que el calor fluya de caliente a frío como lo hace normalmente. Dado que no hay nada más frío que el cero absoluto, nunca podemos hacer que todo el calor fluya fuera de un sistema.

Podemos reducir la temperatura aumentando el tamaño del sistema y diluyendo el calor. De hecho, esta es la razón por la cual la temperatura CMB (fondo cósmico de microondas) es de solo 2,7 K en lugar de miles de millones de K como lo fue poco después del Big Bang. La expansión del universo ha diluido el calor sobrante del Big Bang y ha reducido la temperatura. Sin embargo, alcanzar el cero absoluto de esta manera requeriría una dilución infinita y, por lo tanto, un tiempo infinito, razón por la cual el universo se acerca asintóticamente al cero absoluto.

En realidad, suponiendo que la energía oscura no desaparezca, el universo nunca se enfriará hasta el cero absoluto, incluso en un tiempo infinito. Esto se debe a que la expansión acelerada provocada por la energía oscura crea un horizonte cosmológico, y esto produce la radiación de Hawking. La radiación de Hawking mantendrá la temperatura por encima del cero absoluto.

La física actual ha establecido que el marco subyacente es cuántico. Un principio básico de la mecánica cuántica es el Principio de Incertidumbre de Heisenberg , HUP.

Esto asegura que para las partículas no puede haber una medida o condición exacta de energía cinética 0, por lo que un conjunto de partículas no puede tener una temperatura definida de 0.

Los fotones también son partículas y permean el universo observable, incluso el espacio más vacío, esto se conoce como la radiación sobrante desde el momento en que el universo se volvió transparente a las ondas electromagnéticas. Se denomina fondo cósmico de microondas, CMB, y su energía media es de 2,7K.

Esto es lo que observamos:

Mapa de todo el cielo del CMB, creado a partir de 9 años de datos WMAP

No hay cero, aunque existe un punto frío :

El "punto frío" es aproximadamente 70 µK más frío que la temperatura promedio de CMB (aproximadamente 2,7 K), mientras que la raíz cuadrada media de las variaciones de temperatura típicas es de solo 18 µK.

Por lo tanto, aunque nuestro universo sea enorme, no existe un punto sin fotones, y el HUP se asegurará de que no exista una temperatura de cero K.

Recuerde también que la cuantización de la gravedad llenará el espacio con gravitones, que también serán partículas elementales y transportarán algo de energía, por pequeña que sea, y también obedecerán al HUP. Entonces, en cualquier Universo interesante no puede haber 0K.

Respuesta (intuitiva) de la física clásica: la temperatura es una propiedad de la materia, es decir, una especie de estimación de la energía cinética de las partículas. Si no tienes partículas, no hay nada de lo que medir la temperatura.

Respuesta matemática: dado que la temperatura se cambia multiplicando por un número real, la única forma de llegar a 0 sería tener un objeto ya en cero para empezar, lo que absorbería toda la energía circundante. Este objeto no se ha encontrado que yo sepa (aparte de las singularidades gravitatorias, y hay dudas sobre su existencia).

En termodinámica, la temperatura se define a partir de la ley cero (sí, pensaron en esto después de la primera, segunda y tercera... - luego se dieron cuenta de que habían olvidado algo bastante fundamental). La ley cero es esta:

Si el sistema A está en equilibrio térmico con el sistema B y el sistema B está en equilibrio térmico con el sistema C, entonces el sistema A está en equilibrio térmico con el sistema C.

Esta es una forma elegante de decir "la temperatura existe". Pero también dice que "existe temperatura cuando algo puede estar en equilibrio con otra cosa".

La termodinámica realmente solo se ocupa de la respuesta a gran escala de un sistema : cuando desciende al nivel de partículas individuales, observa la cinética de las partículas y hace declaraciones sobre la "temperatura" en función de la energía cinética promedio.

Ninguna región del espacio está "siempre vacía". Si bien puede existir en cualquier momento una gran región del espacio sin partículas, en realidad no puedes saber que está vacía, y en el momento en que descubres que no está vacía, te habrás encontrado con una partícula. Si esa partícula estaba realmente estacionaria (en cuyo caso, ¿cómo la encontraste?), el acto de medirla habrá impartido cierto impulso (principio de incertidumbre) para que ya no esté en reposo.

En otras palabras, macroscópicamente no se puede decir que una región vacía del espacio tiene temperatura "cero"; y microscópicamente, cualquier intento de medir el cero hará que "no sea así".

El Universo está impregnado por la radiación cósmica de fondo de microondas, que tiene una temperatura de$2.7$K. Cualquier región del Universo debe tener al menos esta temperatura.

Un espacio vacío no tendría partículas para "estar caliente", pero aún habría radiación EM de varias longitudes de onda. Dado que ningún lugar puede estar infinitamente lejos de cualquier fuente de EMR, el nivel de radiación nunca puede caer hasta 0. De todos modos, el CMB está en todas partes.

Ahora, si no hay materia alrededor, ¿a qué le estás tomando la temperatura? Podría afirmar fácilmente que la temperatura es infinita como si fuera 0 K. Debe definir cuidadosamente qué es lo que está viendo como "temperatura".

Ha habido muchas respuestas a esa pregunta y mi respuesta probablemente se perderá en el mar de respuestas y opiniones diferentes. Sin embargo, como se aparta significativamente de los puntos de vista propuestos, podría esbozarlo aquí.

Los debates recientes sobre los flujos de calor, las temperaturas negativas y la noción de entropía en la termodinámica estadística han permitido plantear preguntas sobre la noción de temperatura. En particular, las temperaturas negativas (que aunque aún discutibles están bastante bien definidas) parecen contradecir el hecho de que no se puede alcanzar la temperatura cero. También contradice la intuición, ya que las temperaturas negativas son más calientes que las temperaturas infinitas, lo que no tiene sentido cuando se dice así.

Resulta que ninguna de estas inconsistencias conceptuales ocurre si en lugar de mirar las temperaturas, miramos las temperaturas inversas a menudo denotadas$\beta = 1/(k_B T)$.

En este caso, el calor siempre fluye de baja$\beta$valores a mayor$\beta$valores independientemente de su signo. También el concepto de cero absoluto corresponde a un valor infinito de$\beta$y dado que no hay fin para los infinitos, tampoco hay fin para acercarse al cero absoluto sin alcanzarlo nunca.

Creo que esta es la explicación más sólida y simple a su pregunta.

La mecánica cuántica y el principio de incertidumbre (que acabamos de responder hace un rato) establece que las partículas que constituyen un sistema deben sufrir un movimiento (cambio de estado), de lo contrario podrían localizarse con precisión arbitraria.

La temperatura cero absoluta por definición (clásica) es la temperatura en la que un sistema es un " cristal perfecto " (el estado de energía de cierta simetría y nada que se mueva o cambie más).

Entonces, combinando los 2 anteriores, el resultado es que el cero absoluto es asintótico.

Mecánicamente cuánticamente, incluso el estado fundamental del " vacío " no está a temperatura cero, pero de hecho puede exhibir fluctuaciones .

ACTUALIZAR:

Verifique esta pregunta con respecto a una conexión adicional entre el principio de incertidumbre cuántica y la termodinámica.