Hago esta pregunta porque he visto muchos lugares donde dicen que la temperatura promedio del universo es de unos 2 grados K y esto de alguna manera se relaciona con la masa presente dentro de un volumen dado de espacio.
Entonces, si hay una relación entre la temperatura y la masa presente dentro de un volumen, quiero saber que si se dice que un metro cúbico de espacio está en el cero absoluto (sin aproximaciones), entonces se puede decir que no hay un objeto que soporte masa. dentro de este volumen?
También a la inversa, si en este volumen cúbico en el cero absoluto, si uno fuera a introducir, digamos, un electrón o cualquier otra partícula portadora de masa; ¿podría decirse que el sistema ya no está en el cero absoluto?
Si es así, ¿podemos concluir que para cualquier sistema con temperatura por encima de cero kelvin, tiene que haber algo con masa dentro del sistema?
Un metro cúbico vacío de cualquier cosa no se puede describir con una temperatura. El espacio-tiempo en sí mismo no tiene la propiedad de la temperatura, por lo que sería incorrecto decir que tal vacío está en el cero absoluto.
Sin embargo, no es necesario que cualquier volumen que no esté en el cero absoluto tenga masa. La propiedad de la temperatura podría ser mantenida por fotones u otras partículas sin masa. Por ejemplo, los fotones del fondo de microondas cósmico (CMB), el fondo de 2,7 K al que te refieres, se describen como si tuvieran una temperatura. Estos fotones, cuando son los únicos habitantes de un volumen dado, harían de la temperatura media de ese volumen la media de sus temperaturas.
Sin embargo, podemos decir que cualquier volumen que contenga partículas térmicas (me refiero a partículas descriptibles como que tienen una temperatura y no específicamente fonones o fotones) no está en el cero absoluto. Así dice la todopoderosa Tercera Ley de la Termodinámica.
Como se mencionó en el comentario anterior, la temperatura se define como una medida de la energía cinética promedio de las partículas en un sistema. Entonces, con esa definición, las respuestas a sus preguntas deberían surgir de forma natural:
Si no hay masa en un volumen, se podría decir que la temperatura es el cero absoluto. Diría que no está definido porque no se puede tomar el promedio conjunto de cero cosas.
Si hay una masa en el volumen, puede tener o no una temperatura de cero absoluto. Si todas las partículas no tuvieran energía cinética, la temperatura sería cero. Pero solo podemos eliminar asintóticamente toda la energía, por lo que solo podemos acercarnos asintóticamente a cero.
Si cualquier sistema tiene una temperatura que se puede definir, debe tener algún tipo de masa dentro de él. Sin masa en un volumen, no podemos definir una temperatura, cero o no.
La temperatura es una cantidad que determina cómo entra y sale el calor de un sistema de partículas cuando se pone en contacto con otros sistemas. Según esta definición, medir la temperatura de un sistema sin masa en su interior no tiene sentido; no es el cero absoluto, es indefinido.
La temperatura se puede definir de manera equivalente como proporcional a la energía cinética promedio de las partículas en un sistema. Mecánicamente cuánticamente, si su metro cúbico de espacio tiene una sola partícula, no puede tener energía cinética cero. Esto se debe a que esto implicaría que la magnitud del momento de la partícula se conoce con un 100 % de precisión (ser cero), y por el principio de incertidumbre de Heisenberg, esto implica que la posición de la partícula no se puede precisar ni siquiera con la precisión más débil. . ¡Esto significa que definitivamente no se puede decir que una partícula con energía cinética cero esté en su metro cúbico de espacio!
el fotón
Jim
rapidclock