Die Photonen selbst haben als solche keine Temperatur. Photonen tragen jedoch zur Temperatur von Objekten bei, da sie Energie transportieren. Ein sehr gutes Beispiel ist die Mikrowellen-Hintergrundstrahlung, von der bekannt ist, dass sie eine Temperatur von etwa 3 K zum Universum beiträgt. Die Frequenz dieser Photonen kann man aus der Grundrelation errechnen$k_BT_{mwb}=hf$wo$k_B=1.381\times 10^{-23}$JK$^{-1}$und$h=6.63\times 10^{-34}$Js, so dass sich herausstellt, dass die Frequenz im Mikrowellenteil des elektromagnetischen Spektrums liegt. Photonen tragen zur Temperatur Ihres Körpers bei, wenn Sie in der Sonne sitzen und das Sonnenlicht absorbieren.

Je weiter man sich von der Sonne entfernt, desto kühler, richtig, aber das liegt daran, dass die Intensität des Sonnenlichts umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung von der Sonne ist. Auf der Erde empfangen wir etwa 1350 W/m$^2$von Solarenergie. Aber auf dem Mars, der etwa 1,52 Erde-Sonne entfernt ist, sind es nur etwa 584 W/m$^2$.

Dies ist wirklich nur eine Erweiterung der Antwort von JKL, da ich seinen Punkt zum Mikrowellenhintergrund aufgreifen wollte, aber zuerst ist es erwähnenswert, dass, obwohl einzelne Photonen keine Temperatur haben, EM-Strahlung eine Temperatur zugeordnet werden kann. Die von einem Objekt emittierte EM-Strahlung hat ein Spektrum, das durch das Plancksche Gesetz von seiner Temperatur abhängt . Wenn Sie also das Strahlungsspektrum messen, ist es manchmal möglich, ihm durch das Plancksche Gesetz eine Temperatur zuzuordnen, und tatsächlich wird so dem kosmischen Mikrowellenhintergrund die Temperatur von 2,7 Kelvin zugeordnet.

Aber zurück zum CMB: Ich würde vermuten, dass Ihre Frage lautet, ob ein einzelnes Photon Energie verlieren kann, indem es wie ein kühlendes Objekt abstrahlt, und die Antwort lautet nein. Licht kann jedoch abkühlen , wenn sich die Raumzeit, durch die es wandert, ausdehnt. Das Licht kühlt ab, weil seine Energie über ein größeres Raumvolumen verteilt wird. So hat sich der kosmische Mikrowellenhintergrund von seiner ursprünglich sehr hohen Temperatur von etwa 3.000 K auf seinen aktuellen Wert von 2,7 K abgekühlt.

Wir müssen bei einer solchen Frage vorsichtig sein, da sowohl der Begriff des Photons als auch der der Temperatur nicht einfach sind.

Photon:

Lamb (1995, of the Lamb shift) schrieb:

der Autor mag die Verwendung des Wortes „Photon“, das aus dem Jahr 1926 stammt, nicht. Seiner Ansicht nach gibt es kein Photon. Nur eine Komödie von Fehlern und historischen Unfällen führte zu seiner Popularität bei Physikern und optischen Wissenschaftlern.

Ein Grund wird unter anderem von Wald (1994) erläutert:

Standardbehandlungen der Quantenfeldtheorie in der flachen Raumzeit stützen sich stark auf die Poincaré-Symmetrie (die normalerweise implizit über ebene Wellenexpansionen in die Analyse eingeht) und interpretieren die Theorie hauptsächlich im Sinne eines Begriffs von "Teilchen". Weder Poincaré-Symmetrie (oder andere) noch ein nützlicher Begriff von "Teilchen" existiert in einer allgemeinen, gekrümmten Raumzeit, daher müssen einige der vertrauten Werkzeuge und Konzepte der Feldtheorie "verlernt" werden, um das Quantenfeld klar zu verstehen Theorie in der gekrümmten Raumzeit. [p. ix] [...] der Begriff "Teilchen" spielt weder bei der Formulierung noch bei der Interpretation der Theorie eine grundlegende Rolle. [p. 2]

Grundsätzlich werden sich zwei Beobachter in zwei verschiedenen Referenzrahmen im Allgemeinen nicht einmal über die Anzahl der Photonen einigen, geschweige denn über ihre "Identität". Siehe auch Davies (1984).

Ein Photon ist ein Energiequant einer Mode des elektromagnetischen Feldes, siehe zum Beispiel van Enk (2003) für einen sehr knappen Überblick. Das bedeutet nicht nur, dass Photonen keine Temperatur haben, sondern auch, dass sie weder Energie haben, verlieren oder gewinnen, noch „reisen“ sie wirklich.

Vielmehr können wir von der Energie und der Temperatur (siehe aber unten) einer Mode des elektromagnetischen Feldes sprechen. Die Photonen sind, grob gesagt, eine Zählung der quantisierten Energie dieses Modus. Der beste Ort, um die Beziehung zwischen Feldmoden, ihrer Energie und Photonen zu verstehen, sind meiner Meinung nach die Vorlesungen von Glauber (1965).

Temperatur:

Der Begriff "Temperatur" bezeichnet viele verschiedene Begriffe und Größen, die irgendwie miteinander verwandt sind. In manchen Fällen werden diese Zusammenhänge verstanden, in anderen – bis heute – nicht. Es gibt ein kürzlich erschienenes anregendes Buch von Biró, Is There a Temperature?: Conceptual Challenges at High Energy, Acceleration and Complexity (2011), das dieses komplexe Beziehungsgeflecht untersucht.

Da wäre zum Beispiel die (makroskopische) thermodynamische Temperatur. Und es gibt mindestens zwei Arten von statistischen Temperaturen: eine bezieht sich auf Unsicherheit und stochastische Variabilität, die andere auf einen Raum-Zeit-Durchschnitt. Für die Beziehung zwischen den beiden siehe beispielsweise Kirkwood (1946) und Murdoch & Bedeaux (1996). Die Beziehungen zwischen diesen Temperaturen sind beispielsweise für ein ideales Gas klar, für komplexere Systeme jedoch noch nicht so klar; tatsächlich können die Beziehungen sogar nicht-eindeutig sein (Jepps, Ayton, Evans 2000).

Soweit ich weiß, hat das elektromagnetische Feld aus makroskopischer Sicht keine thermodynamische Temperatur. Das tun nur materielle Körper – wie etwa der Begriff „Schwarzkörpertemperatur“ verdeutlicht , der mit „Schwarzkörperstrahlung“ assoziiert wird. Diese Assoziation gibt uns eine Verbindung zwischen elektromagnetischem Feld und thermodynamischer Temperatur, aber ich persönlich schreibe diese Temperatur nicht dem elektromagnetischen Feld zu. Siehe Hutter & van de Ven (2006) für einen Überblick über die makroskopische Beschreibung.

Aus mikroskopischer und statistischer Sicht können wir eine statistische Temperatur mit (einem Modus) des elektromagnetischen Felds in Verbindung bringen: Eine solche Temperatur ist der Koeffizient, der unsere Unsicherheit über die Energie des Felds zusammenfasst oder parametrisiert – und so aus quantentheoretischer Sicht , unsere Ungewissheit über die Anzahl der Photonen im (Modus des) Feldes. Unsere Unsicherheit wird durch übliche Boltzmann-ähnliche Formeln gegeben, klassisch oder quantenmechanisch. Mit dieser Ungewissheit ist auch unsere mittlere Schätzung der Energie verbunden. Dies ist die Beziehung, die implizit verstanden wird, wenn wir beispielsweise von der Temperatur des Mikrowellenhintergrunds sprechen.

Ganz grob zusammengefasst gibt die Anzahl der Photonen die Energiemenge eines elektromagnetischen Feldes (Mode) an, die unter einem bestimmten experimentellen Verfahren erhalten wird (diese letzte Präzisierung ist in der Quantentheorie notwendig). Die Temperatur sagt Ihnen etwas über Ihre Unsicherheit über das Ergebnis einer solchen Messung aus, oder äquivalent dazu, wie viel Variabilität Sie in der registrierten Anzahl von Photonen beobachten werden, wenn Sie eine solche Messung unter identischen experimentellen Bedingungen wiederholen.

Verweise

• Biró: (2011) Gibt es eine Temperatur?: Konzeptionelle Herausforderungen bei hoher Energie, Beschleunigung und Komplexität (Springer).

• Davies (1984): Partikel existieren nicht . In Christensen (Hrsg.): Quantum Theory of Gravity (Hilger), 66.

• Glauber (1965): Optische Kohärenz und Photonenstatistik . In DeWitt-Morette, Blandin, Cohen-Tannoudji (Hrsg.): Quantum Optics and Electronics (Gordon & Breach), 63.

• Hutter, van de Ven (2006): Elektromagnetische Feld-Materie-Wechselwirkungen in thermoelastischen Festkörpern und viskosen Flüssigkeiten (Springer).

• Jepps, Ayton, Evans (2000): Mikroskopische Ausdrücke für die thermodynamische Temperatur . Phys. Rev. E 62, 4757.

• Kirkwood (1946): Die statistisch-mechanische Theorie der Transportprozesse: I. Allgemeine Theorie . J.Chem. Phys. 14, 180.

• Lamb, Jr (1995): Anti-Photon . Appl. Phys. B60, 77.

• Murdoch, Bedeaux (1996): Eine mikroskopische Perspektive auf die physikalischen Grundlagen der Kontinuumsmechanik – Teil I: Makroskopische Zustände, Reproduzierbarkeit und makroskopische Statistik auf vorgeschriebenen Längen- und Zeitskalen . Int. J. Engng Sci. 34, 1111.

• van Enk (2003): Verschränkung elektromagnetischer Felder . Phys. Rev. A 67, 022303.

• Wald (1994): Quantenfeldtheorie in gekrümmter Raumzeit und Thermodynamik schwarzer Löcher (University of Chicago Press).

Angenommen, die Sonne emittiert eine bestimmte Anzahl von Photonen, so dass in 1 m Entfernung von der Sonnenoberfläche 1 Million Photonen jeden Quadratmeter durchdringen. Da sich die Photonen radial von der Sonne ausbreiten, bleibt ihre Anzahl gleich, aber sie müssen immer größere Flächen abdecken. 10m von der Sonne entfernt, diese$10^6$Photonen bedecken eine Fläche von$10$x$10 = 100m^2$. Die Dichte der Photonen ist also 100-mal kleiner als bei 1 m. Dies zeigt, wie, wenn Sie sich von der Sonne entfernen, die Dichte der Photonen umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung von der Sonne abnimmt.

Das bewirkt, dass die Temperaturen der Planeten mit ihrer Entfernung von der Sonne abnehmen.

Bei thermischer Gleichgewichtstemperatur$T$ist definiert durch

Planeten, die weiter von der Sonne entfernt sind, sind kühler als nahe gelegene, da sich derselbe Photonenfluss im Vergleich zur Größe des Planeten über eine größere Fläche ausbreitet: Die Querschnittsfläche der Erde ist ein größerer Bruchteil der Oberfläche einer Kugel von der Größe ihrer Umlaufbahn als Neptun für seine Umlaufbahn. Das bedeutet, dass weniger Photonen pro Flächeneinheit auf Neptun treffen als auf die Erde. Photonen verlieren etwas Energie, wenn sie so weit hinausgehen (Rotverschiebung von der Schwerkraft der Sonne, dies ist von der allgemeinen Relativitätstheorie), aber dieser Effekt ist winzig .

Nun, es ist nicht die Gesamtenergie allein, die die Temperatur bestimmt, sondern auch die "Qualität" der Energie. Die Temperatur ist ein Maß für die durchschnittliche kinetische Energie oder auch bezogen auf die Wellenlänge des Photons. Wenn Sie eine enorme Menge an Photonen im Mikrowellenbereich haben, darf die Temperatur nirgendwo über 3 K steigen. Klassisch und realitätsnah ist es das Weinsche Verschiebungsgesetz, das die Temperatur in einem Spektrum bestimmt.

Ich lese andere Antworten und möchte versuchen, zu meinem Verständnis zu gelangen und zu hören, wo ich falsch liege.

Zunächst einmal ist ziemlich schwer herauszufinden, ob die kosmische Hintergrundstrahlung im Wesentlichen aus Photonen besteht. Ich weiß, dass es "elektromagnetische Strahlung" ist. Aber das sind doch nur Photonen, richtig? In einer Frequenz, für die wir nicht die richtigen Augen haben, also nur eine bestimmte Lichtfarbe?

Es hört sich so an, als hätten einzelne Photonen Energie, die beim Auftreffen auf ein Atom übertragen werden kann (z. B. wie ein rotglühender Raumheizer / Heizkörper Atome in seiner Sichtlinie zum Hören bringt), aber dass dies NICHT das ist, worauf sich Physiker beziehen, wenn sie es tun Sagen Sie, ein bestimmter Satz von Fotos hat "Temperatur".

Was meinen sie? Nun, wenn ein Photon in Form von Strahlungswärme von einem Objekt emittiert wird, dann gibt Ihnen die Frequenz des Photons Informationen, die Sie verwenden können, um die implizite Temperatur des Quellobjekts zu berechnen.

Es wurde auch theoretisiert, und ich nehme an, bestätigt, dass Photonen, die sich durch die expandierende Raumzeit bewegen, an Frequenz verlieren, was dasselbe ist wie der Verlust der impliziten Temperatur ihrer Quelle.

Jetzt beobachten wir also, dass es diesen umgebenden, richtungslosen Photonenfluss um uns herum gibt, und etwas an der relativen Frequenz der Photonen, die wir in verschiedenen Richtungen beobachten, lässt uns denken, dass sie von derselben ursprünglichen Quelle stammen, nur um unterschiedliche Frequenzen verschoben , und wir denken, der Grund dafür ist, dass sie durch Regionen des Weltraums gereist sind, in denen sich die Raumzeit mit unterschiedlichen relativen Geschwindigkeiten ausdehnte. Und unsere beste Schätzung hinsichtlich der impliziten Quellentemperatur für ALLE diese Photonen, die sich an alle verschiedenen Ausdehnungen anpassen, ist eine verrückte heiße Temperatur; und unsere beste Vermutung für den Ort ist, dass alle Photonen genau vom selben Punkt im Weltraum kamen.

Nach den Gesetzen der Physik haben die als Photonen bezeichneten elektromagnetischen Teilchen einzeln eine thermodynamische Temperatur von Null. Diese erstaunliche Entdeckung bedeutet, dass sie die kältesten existierenden Quantenteilchen sind