真空沒有原子,是不是真空也沒有溫度?

溫度的定義


謝邀。

既然是這樣來問,顯然並不是那麼希望聽到有各種各樣的長篇大論的說法了。其實這樣的看法基本上不錯。有幾個細節我再說明一下:

認為真空中沒有「原子,這個看法基本上是對的,但是這樣的看法又太古典,且一旦把「原子」換成「粒子」,這個說法就不對了。不妨參考這個頁面:《真空不空》,需要注意的是搜索這樣的東西看很容易一不小心就看到民科說的東西,如果沒有辦法辨別民科,那就還是別搜了吧……文中提到「在場論中,每種粒子對應於一種量子場,粒子就是場量子化的場量子。當空間存在某種質量粒子時,表明這種量子場處於激發態;不存在粒子時,就意味著場處於基態,也即真空。質量粒子來自真空的激發是被當代多數物理學家接受的概念。正反粒子對產生已經被許多實驗室證實。」正反粒子可以產生,理論上只要能量足夠高,也是可以從真空中產生出原子來的,只是這個所需要的能量太高,因此難以實現,所以大體上題主的看法也不錯。

另外,溫度如果以「平均動能」的方式來定義,則理論上是要涉及到許多粒子的,如果討論的粒子的數目逐漸減少,則如果再用「平均動能」的方式來定義溫度會面臨越來越大的漲落。當面對小系統,為了用起來方便,也可以採用其它的方式來定義溫度,這裡不細說。

另外,我還可以想到為何題主可能會產生這樣的一個問題,因為我們平時常常聽到這樣的說法:

  • 宇宙空間中的環境是高真空的;

  • 宇宙微波背景輻射的溫度是 2.7K 。

這樣的說法也很容易會給人引起一些誤解。關於宇宙環境的高真空,這個說法當然是對的,但是這時的「高真空」,跟物理意義上作為一種理想狀態的真正的「真空」是兩回事,而跟真空實驗裡面所提的「高真空」意思是接近的,可以從所含的氣體濃度低的角度來理解。而關於宇宙微波背景輻射, 這裡的「溫度」跟平時我們用的熱運動的方式來定義的溫度又是另外一碼事,需要注意的是,真空中依然可以存在電磁波,電磁波的傳播不需要「以太」。微波背景輻射就是這樣電磁輻射,它與最初的大爆炸有關,在刻畫這種波段在微波範圍內的電磁輻射的時候,可以發現,這樣一種電磁輻射的特徵譜和絕對溫標 2.725K 的黑體輻射相同,因此也就稱「宇宙微波背景輻射的溫度是 2.7K 」。


翻開統計物理課本,我們可以找到溫度的定義:

T=partial U/partial S

可以看到,他是量度內能隨熵變化的物理量。相類似的還有:

p=-partial U/partial V

壓強是量度內能隨體積變化的物理量;

mu =partial U/partial N

化學勢是量度內能隨分子數變化的物理量;

從這個定義上來說,只要能為真空定義內能,定義熵,就可以找到溫度,而且根據熱力學定律,就可以測出真空的溫度。

真空能不能定義內能呢?通過場論我們知道:能。真空實際上有不間斷的粒子產生和湮滅,造成了非零的能量漲落。既然是產生湮滅這樣的過程,也可以定義熵。於是就有了溫度。

這裡,就像黑洞的溫度一樣,是通過熱力學定律保證了溫度的合法性,並不意味著,在那樣的極端條件下,我們可以用平常的方式測量溫度。


宏觀上,溫度指的是微觀粒子熱運動的體現,因此不存在可觀測粒子的真空,也就無所謂溫度的說法。

但是,自然界中的一切物體,只要溫度在絕對溫度零度以上,都以電磁波和粒子的形式時刻不停地向外傳送熱量,這種傳送能量的方式被稱為輻射。

其中理想黑體發出輻射的功率譜只和溫度有關,被成為黑體輻射。所有有溫度的物體都會發出黑體輻射(一般物體在黑體輻射之外還可能有其他輻射),因而可以根據黑體輻射譜來反推溫度的高低。而宇宙背景輻射的能量譜與大約3K的黑體輻射譜一致,因而常以此來表示宇宙真空的溫度。


即便排除掉CMB 真空溫度也不為0 而且永遠不會為0

不確定性原理要求真空時刻發生漲落 否則不確定性 break down


個人認為不是,首先絕對絕對的真空是不存在的,因為波粒二相性的原因,射線光什麼的也會有能量來產生溫度,就象宇宙,如果真是概念上的話,我只能說討論溫度沒有意義。。


【牛頓力學「粒子」的統計物理】

溫度是一個統計概念,是針對大量粒子而言的。

精確到一個點的溫度沒有意義(一個點不包含任何粒子);

但當體積微元遠遠小於系統總尺度時,可以用一個「點」近似。

如果真空很稀薄,體積微元要大,包含一定數目的粒子,溫度才有定義。

【量子+場論的統計物理】

場的自由度無窮的,算符在空間上是緻密的;

即便是沒有粒子,理論框架一開始就包含了無窮的自由度,溫度這個統計概念不需要粒子就可以完成。

粒子,或者說原子 僅僅是這個場的一種集體運動模式;場是物理模型的中心,粒子不是。

真空可以不要原子粒子,但是在量子場的理論框架下,溫度還是能定義的。


我覺得是對的! 你去測量真空的溫度的時候, 得到的溫度是測量感測器本身的溫度。 可以這樣說嗎?


真空是絕熱的,不能通過熱傳導進行導熱,沒有溫度梯度,也就沒有溫度。


推薦閱讀:

為什麼磁鐵可以吸引鐵、鈷、鎳?
疊加齒輪加速超光速問題?
雖然我們都知道浮力的計算公式,但是浮力是怎麼產生的?
大亞灣中微子實驗中發現的新的中微子振蕩行為意味著什麼?
磁鐵失去磁性後,其質量會減少嗎?

TAG:物理學 | 粒子物理學 |