¿La temperatura en el vacío es cero?

No hay temperatura.

Si usamos la siguiente definición "la temperatura es la energía cinética promedio de las partículas". Entonces no hay partículas - no hay temperatura. A primera vista, esta respuesta no parece ser lo suficientemente buena, pero si desea calcular el "giro promedio" o la "carga promedio", esos parámetros no tendrán sentido si no hay partículas para calcular los datos.

Incluso si elimina las partículas, habrá una radiación térmica proveniente de los bordes. De esta manera, un termómetro colocado en el interior eventualmente mostrará la temperatura de los bordes.

La noción de temperatura no tiene ningún sentido en el vacío total (es decir, la ausencia de todos los objetos). Solo tiene sentido como una descripción de cuánto se mueven algunos objetos.

Para discutir el problema del termómetro, primero se necesita saber qué significa medir la temperatura. "Simplemente inserta el termómetro, espera un poco y listo", puedo escuchar a la gente decir. Bueno, no del todo. ¿Qué sucede microscópicamente?

En el caso más simple, si desea medir la temperatura de una muestra, debe adjuntarle un termómetro. Las moléculas de estos objetos interactuarán y eventualmente entrarán en equilibrio térmico. Luego, el termómetro tiene una calibración que le dice que tal y tal temperatura corresponde a tal y tal movimiento de sus moléculas. Bueno, debería ser obvio que para que esto funcione, el concepto de equilibrio térmico es esencial. Pero no obtendrá el equilibrio térmico si hay muy pocas moléculas de la muestra. En concreto cero.

También tenga en cuenta que el contacto de las superficies no es la única forma de lograr el equilibrio térmico. Cualquier proceso de transferencia de calor funcionará y eso significa cualquier interacción. Entonces puede intentar medir la temperatura, por ejemplo, mediante radiación electromagnética. Bueno, si inserta un termómetro de este tipo en una caja completamente vacía, dependiendo de las propiedades de la caja, la radiación electromagnética se irá por completo y el termómetro mostrará cero o la caja atrapará la radiación y ya no estará vacía (contendrá fotones) . En cualquier caso, lo que está midiendo ahora no es la temperatura del vacío sino las propiedades de transmisión EM de la caja.

Para resumir: el problema de la medición no es trivial y ha llevado a los físicos a muchos descubrimientos. Al notar que no se puede medir simultáneamente la posición y el momento, se originó la mecánica cuántica. Observar que los acoplamientos de nuestras teorías de partículas elementales dependen de la energía que ingresa en la medición dio lugar a la renormalización y una mejor comprensión de las teorías cuánticas de campos en su conjunto. Por lo tanto, siempre es importante pensar en lo que realmente estás midiendo microscópicamente.

Ahora, permítanme hablar un poco sobre algunas cosas relacionadas.

Considere esa caja llena de gasolina nuevamente. A medida que baje la temperatura de las paredes, las moléculas transferirán su energía a las paredes y se volverán más lentas. Ahora, puedes imaginar que al hacer esto durante mucho tiempo eventualmente alcanzarás la temperatura cero y todo el movimiento se detendrá.

En realidad, esto no es posible porque necesitarías un tiempo infinito para alcanzar esa temperatura. E incluso si tuviera ese tiempo, debe tener en cuenta el principio de incertidumbre (no puede saber la posición de un objeto con absoluta precisión). En realidad, el enfriamiento es un gran campo de la física en sí mismo e implica varias técnicas extremadamente sofisticadas que están muy cerca de 0K.

También tenga en cuenta que en realidad no existe el vacío (nuevamente en el sentido anterior) debido a las fluctuaciones cuánticas.

De acuerdo con la definición anterior, la respuesta no está definida matemáticamente, la energía cinética promedio es

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

Si enchufamos N=0 vemos que explota

Ahora, si tuviéramos alguna otra definición o el gas no estuviera cuantificado, tal vez podríamos tomar el límite como N->0

Editar: Esto responde a su pregunta si define un termómetro como algo que mide la temperatura, y ha definido la temperatura como se indica arriba.

No puedes eliminar todas las partículas de la caja. Incluso si eliminas todos los átomos, seguirá habiendo fotones dentro, que llevan su propia energía cinética. Los fotones son generados por las paredes de la caja y alcanzan con el tiempo el equilibrio termostático con las paredes, por lo que la temperatura dentro de la caja será la misma que la temperatura de las paredes de la caja.

Cualquier cuerpo colocado en dicha caja irá alcanzando gradualmente la misma temperatura que la de la caja, a través de la radiación, aunque no haya átomos en su interior.

Solo si las paredes de la caja están en el cero absoluto no habrá fotones en su interior.

El vacío no contiene radiación ni otros campos electromagnéticos .

Las aspiradoras estacionarias y de velocidad constante no tienen temperatura. El vacío acelerado tiene una temperatura, la temperatura de Unruh :

es muy débil En la aceleración de la gravedad de la Tierra es sólo$4×10^{−20}$k