¿Puede un metro cúbico de espacio en el cero absoluto tener algún objeto con masa en su interior?

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?

La temperatura es una medida estadística de la energía cinética de un conjunto de partículas. ¿Cómo propone definir la "temperatura" de un volumen de espacio que no contiene masa?
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He visto todas las respuestas, nunca esperé respuestas tan rápidas 😀. ¿Pero por lo que entiendo de las respuestas es que prácticamente no puede haber ningún sistema en el cero absoluto? Cualquier sistema con o sin masa, automáticamente significa que tiene algo de temperatura por pequeña que sea. Incluso si tuviera temperatura cero absoluta, cualquier intento de estudiar la temperatura de dicho sistema automáticamente hace que dicho sistema tenga algo de temperatura. ¿Tengo razón?

Respuestas (3)

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.

Con respecto a la "temperatura generada por fotones"... ¿La generación de temperatura no requiere que los fotones interactúen con algo que realmente tiene masa? De lo contrario no tendría temperatura? Las respuestas a esta pregunta también parecen implicar que... Ahora estoy intrigado.
@tpg2114 ¡Ajá! buena captura, quise decir "retenido por fotones" no "generado"
¡Revisión por pares FTW! No esos molestos fotones.

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:

  1. 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.

  2. 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.

  3. 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.

Re punto 3: No con esa actitud
@Jim Esos molestos fotones... Estaba indeciso sobre si un volumen que contenía solo fotones realmente tenía temperatura o no. Todavía no estoy seguro... También me gusta cómo todos respondimos con 10 segundos de diferencia.
Fotones FTW! Estaba pensando "¿los fotones cuentan como si tuvieran temperatura?" Y luego recordé que hablamos de la temperatura de los fotones del CMB todo el tiempo, que se ha enfriado con el tiempo pero la temperatura de la fuente emisora ​​no se enfrió (está bien, pero no cuando se emitieron los fotones), es expansión que ha enfriado los propios fotones. Entonces 2.7K realmente se refiere a la temperatura de los fotones. Pero no todos los fotones pueden tener una temperatura, solo los de emisión térmica.
@Jim ¿Pero los fotones realmente tienen temperatura? ¿O los 2,7 K son solo una temperatura que medimos a partir de las interacciones con los fotones? ¿Es su "temperatura" algo que solo aparece cuando se miden?
No, su temperatura sería el resultado de las longitudes de onda. Los fotones emitidos térmicamente tendrían un espectro de cuerpo negro. Por lo tanto, a un fotón no se le puede dar una temperatura, pero una colección de fotones con un espectro de longitudes de onda característicamente de cuerpo negro puede describirse como si tuviera esa temperatura de cuerpo negro.
Aunque supongo que si dijeras que un fotón solo aparece cuando se mide, entonces tendría que estar de acuerdo en que su temperatura también debe aparecer solo cuando se mide el fotón. También diría que estás siendo demasiado filosófico.
@Jim Necesito ser filosófico, ¡esa es la única diferencia entre nuestras respuestas! Pero creo que ambos tenemos razón, supongo, dependiendo de la filosofía.
Si tienes que ser tan filosófico, entonces nada tiene temperatura hasta que se mide. Y la Luna no está cuando nadie mira
@Jim, no. La luna es sólo el sol en la noche.
Tampoco estoy tan seguro del punto 3. La temperatura como concepto termodinámico requiere energía y grados de libertad, no masa en reposo. Claro que es difícil construir un termómetro legible por humanos a partir de fotones, pero eso es solo porque es difícil construir algo interactuable con humanos a partir de fotones. Y además, si algunas partículas masivas pueden afirmar que las temperaturas de los fotones no están definidas hasta que afectan a esas mismas partículas masivas, ¿no podría un gas fotónico afirmar lo contrario, que las partículas masivas solo tienen temperatura en la medida en que emiten radiación de cuerpo negro?
@ChrisWhite No estoy discutiendo que los fotones tengan energía. Pero, ¿puede considerarse energía de traslación ? Cuando decimos "temperatura" sin ninguna otra calificación, generalmente se asume que estamos viendo la energía de traslación del conjunto. ¿Es la energía de un fotón realmente una energía de traslación? (Lo digo en serio, realmente no sé la respuesta, ¿es un conocimiento elemental o sería una buena pregunta por sí sola?)
@ tpg2114 tienen una energía que se equilibra con la materia a cierta temperatura, lo que parece una buena razón para decir que tienen una temperatura propia.

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!

Pero tampoco se puede decir definitivamente que no esté en el metro cúbico. Por lo tanto, debe estar allí. ¡Ciencia!
De hecho, si este metro cúbico es parte de la infinitud del espacio, entonces la partícula tiene un 0% de posibilidades de estar dentro de él.
No cero, infinitesimal. Pero eso es mayor o igual a la probabilidad de que esté en cualquier otro lugar. De nuevo, por lo tanto, está ahí
Matemáticamente, la probabilidad de que esté fuera de la caja es la integral de su distribución de probabilidad en todo el espacio excepto en la caja, que da como resultado el 100 %. A la ciencia no le importan los infinitesimales cuando toma datos reales.
En caso de que no sea obvio, estaba bromeando.