Warum wird der absolute Nullpunkt als asymptotisch angesehen? Würden Regionen wie riesige Lücken zwischen Galaxienhaufen nicht Temperaturen vom absoluten Nullpunkt haben?

Wir können uns dem absoluten Nullpunkt nur asymptotisch nähern, weil wir einem System keine Wärme entziehen können . Die einzige Möglichkeit, Wärme abzuleiten, besteht darin, unser System mit etwas Kühlerem in Kontakt zu bringen und die Wärme wie gewohnt von heiß nach kalt fließen zu lassen. Da es nichts kälteres als den absoluten Nullpunkt gibt, können wir niemals die gesamte Wärme aus einem System abfließen lassen.

Wir können die Temperatur reduzieren, indem wir die Größe des Systems erhöhen und die Wärme verdünnen. Tatsächlich beträgt die CMB-Temperatur (kosmischer Mikrowellenhintergrund) nur 2,7 K und nicht Millionen von K, wie es kurz nach dem Urknall der Fall war. Die Expansion des Universums hat die vom Urknall übrig gebliebene Wärme verdünnt und die Temperatur gesenkt. Das Erreichen des absoluten Nullpunkts auf diese Weise würde jedoch eine unendliche Verdünnung und daher unendlich viel Zeit erfordern, weshalb sich das Universum dem absoluten Nullpunkt asymptotisch nähert.

Unter der Annahme, dass die dunkle Energie nicht verschwindet, wird das Universum selbst bei unendlicher Zeit niemals auf den absoluten Nullpunkt abkühlen. Dies liegt daran, dass die durch dunkle Energie verursachte beschleunigte Expansion einen kosmologischen Horizont erzeugt, der Hawking-Strahlung erzeugt. Die Hawking-Strahlung hält die Temperatur über dem absoluten Nullpunkt.

Die aktuelle Physik hat festgestellt, dass das zugrunde liegende Gerüst Quanten ist. Ein Grundprinzip der Quantenmechanik ist die Heisenbergsche Unschärferelation , HUP.

Dies stellt sicher, dass es für Teilchen keine exakte Messung oder Bedingung einer kinetischen Energie von 0 geben kann, sodass ein Ensemble von Teilchen keine eindeutige Temperatur von 0 haben kann.

Photonen sind auch Teilchen und durchdringen das beobachtbare Universum, selbst den leersten Raum, dies ist bekannt als die übrig gebliebene Strahlung aus der Zeit, als das Universum für die elektromagnetischen Wellen transparent wurde. Es heißt kosmischer Mikrowellenhintergrund, CMB, und seine durchschnittliche Energie beträgt 2,7 K.

Das beobachten wir:

All-Sky-Karte des CMB, erstellt aus 9 Jahren WMAP-Daten

Es gibt keine Null, obwohl es eine kalte Stelle gibt :

Der "Cold Spot" ist etwa 70 µK kälter als die durchschnittliche CMB-Temperatur (ca. 2,7 K), während der quadratische Mittelwert typischer Temperaturschwankungen nur 18 µK beträgt.

Selbst wenn unser Universum riesig ist, gibt es keinen Fleck ohne Photonen, und das HUP wird sicherstellen, dass es keine Null-K-Temperatur gibt.

Bitte denken Sie auch daran, dass die Quantisierung der Schwerkraft den Raum mit Gravitonen füllen wird, die ebenfalls Elementarteilchen sein werden und etwas Energie tragen, egal wie klein, und auch dem HUP gehorchen werden. In jedem interessanten Universum kann es also kein 0K geben.

Die Antwort der klassischen Physik (intuitiv): Temperatur ist eine Eigenschaft der Materie, also eine Art Abschätzung der kinetischen Energie von Teilchen. Wenn Sie keine Partikel haben, gibt es nichts, wovon Sie die Temperatur messen könnten.

Mathematische Antwort: Da sich die Temperatur durch Multiplikation mit einer reellen Zahl ändert, wäre der einzige Weg, 0 zu erreichen, ein Objekt zu haben, das bereits auf Null ist, was die gesamte Umgebungsenergie aufsaugen würde. Dieses Objekt wurde meines Wissens nicht gefunden (abgesehen von gravitativen Singularitäten, an deren Existenz Zweifel bestehen).

In der Thermodynamik wird die Temperatur anhand des nullten Hauptsatzes definiert (ja, daran dachten sie nach dem ersten, zweiten und dritten … – dann stellten sie fest, dass sie etwas ziemlich Grundlegendes vergessen hatten). Das nullte Gesetz lautet:

Befindet sich System A im thermischen Gleichgewicht mit System B und System B im thermischen Gleichgewicht mit System C, dann befindet sich System A im thermischen Gleichgewicht mit System C.

Dies ist eine schicke Art zu sagen "Temperatur existiert". Aber es heißt auch "Temperatur existiert, wenn etwas mit etwas anderem im Gleichgewicht sein kann".

Die Thermodynamik befasst sich wirklich nur mit der Reaktion eines Systems im großen Maßstab - wenn Sie auf die Ebene der einzelnen Partikel gehen, betrachten Sie die Kinetik der Partikel und treffen Aussagen über die "Temperatur" basierend auf der durchschnittlichen kinetischen Energie.

Keine Region des Weltraums ist „für immer leer“. Während es zu jedem beliebigen Zeitpunkt einen großen Raumbereich ohne Teilchen darin geben kann, können Sie nicht wirklich wissen , dass er leer ist – und in dem Moment, in dem Sie feststellen, dass er nicht leer ist, werden Sie auf ein Teilchen gestoßen sein. Wenn dieses Teilchen wirklich stationär war (in welchem ​​​​Fall - wie sind Sie darauf gestoßen?), hat die Messung ihm einen gewissen Impuls verliehen (Prinzip der Unsicherheit), sodass es nicht mehr in Ruhe ist.

Mit anderen Worten - makroskopisch kann man nicht sagen, dass eine leere Region des Weltraums "null" Temperatur hat; und mikroskopisch wird jeder Versuch, Null zu messen, dazu führen, dass es "nicht so" ist.

Das Universum wird von der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung durchdrungen, die eine Temperatur von hat$2.7$K. Jede Region im Universum muss mindestens diese Temperatur haben.

Ein leerer Raum hätte keine Partikel, die „heiß“ sein könnten, aber es gäbe immer noch EM-Strahlung verschiedener Wellenlängen. Da kein Ort unendlich weit von einer EMR-Quelle entfernt sein kann, kann der Strahlungspegel nie ganz auf 0 abfallen. Das CMB ist sowieso überall.

Nun, wenn es keine Materie in der Nähe gibt, wovon messen Sie die Temperatur? Sie könnten genauso gut behaupten, dass die Temperatur unendlich ist, da sie 0 K ist. Sie müssen sorgfältig definieren, was es ist, von dem Sie die "Temperatur" betrachten.

Auf diese Frage gab es viele Antworten, und meine Antwort wird wahrscheinlich im Meer der Antworten und unterschiedlichen Meinungen untergehen. Da es jedoch erheblich von den vorgeschlagenen Gesichtspunkten abweicht, möchte ich es hier skizzieren.

Jüngste Debatten über Wärmeströme, negative Temperaturen und den Begriff der Entropie in der statistischen Thermodynamik haben es ermöglicht, Fragen zum Begriff der Temperatur aufzuwerfen. Insbesondere die negativen Temperaturen (die zwar immer noch umstritten sind, aber recht gut definiert sind) scheinen der Tatsache zu widersprechen, dass eine Nulltemperatur nicht erreicht werden kann. Es widerspricht auch der Intuition, da negative Temperaturen heißer sind als unendliche Temperaturen, was irgendwie keinen Sinn ergibt, wenn man es so sagt.

Es stellt sich heraus, dass keiner dieser konzeptionellen Widersprüche auftritt, wenn wir anstelle von Temperaturen die oft bezeichneten inversen Temperaturen betrachten$\beta = 1/(k_B T)$.

In diesem Fall fließt Wärme immer von unten$\beta$Werte zu höher$\beta$Werte unabhängig von ihrem Vorzeichen. Auch das Konzept des absoluten Nullpunkts entspricht einem unendlichen Wert von$\beta$und da es kein Ende der Unendlichkeiten gibt, gibt es auch kein Ende der Annäherung an den absoluten Nullpunkt, ohne ihn nie zu erreichen.

Ich denke, das ist die vernünftigste und einfachste Erklärung für Ihre Frage.

Die Quantenmechanik und die Unschärferelation (die gerade erst geantwortet hat) besagt, dass konstituierende Teilchen eines Systems eine Bewegung (Zustandsänderung) durchlaufen müssen, sonst könnten sie beliebig genau lokalisiert werden.

Die absolute Nulltemperatur ist nach (klassischer) Definition die Temperatur, bei der ein System ein " perfekter Kristall " ist (der Energiezustand einer bestimmten Symmetrie und nichts, das sich weiter bewegt oder ändert).

Wenn man also die obigen 2 kämmt, folgt das Ergebnis, dass der absolute Nullpunkt asymptotisch ist.

Quantenmechanisch liegt auch der Grundzustand des „ Leeren “ nicht bei Nulltemperatur, sondern kann durchaus Schwankungen aufweisen .

AKTUALISIEREN:

Prüfen Sie diese Frage bezüglich einer weiteren Verbindung zwischen Quantenunschärferelation und Thermodynamik.