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「絶対真空の温度は絶対零度か?」
長年、抱き続けている疑問です。
ここに、如何なる放射も粒子、物質もない絶対的な真空なる状態があるとします。現実の宇宙空間は、CMB=宇宙背景輻射やダークマター、ダークエネルギー等に満たされているとされていますが、そんなものが一切ない、仮想粒子の対生成、対消滅もないとできる絶対真空です。そんな絶対真空にも温度は定義でき、それは絶対零度=0Kとなるとできるのか、です。(真空をエネルギーが最低の状態の空間であるとする立場からすると、空間のエネルギー=0とでもいえる状態、か?)
ある現象系の温度は、その系を構成する粒子の平均運動エネルギーに比例する物理量であると定義されることから、もし、粒子群の運動エネルギーが0であるなら、絶対温度0=絶対零度となる。
しかし、また一方、先述したように、如何なる粒子もない絶対真空も、運動エネルギーは0となるから、温度という観点からすると、絶対零度と言える(のか?)。
でも、温度は多数の粒子の平均運動エネルギーから定義される統計的な物理量ということからして、粒子が1個もない絶対真空は、そもそも、温度を定義できない状態ではないか、とも考えられるのです。
一体、どちらなのでしょう?
例えば、絶対真空に、各粒子が運動している多数の粒子群が入射されるとすると、それら粒子は何の抵抗も受けることなく、真空中に自由膨張していく。赤外線放射による熱の損失が無視できるとすれば、断熱自由膨張ともいえるから、それら粒子群系の温度は変わらない。
他方、多数の粒子群は存在しているけれど、運動エネルギーが0の系(つまり、これも絶対零度といえる系)に、新たに別の運動している粒子群が入ってくれば、お互いが干渉、作用しあって、温度は変わっていくでしょう。つまり、絶対真空とは異なる状況となる。
以上の思考実験から、絶対真空の温度は絶対零度とは言えない、そもそも、温度が定義できないとするか、少なくとも、粒子群が存在する場合の絶対零度とは異なるものとして区別する必要があると考えるのですが、どうなのでしょうか?

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A 回答 (5件)

ゼロとなると言いたいけど、それはないだろうね。


なぜなら空間もエネルギーも不確定性原理の影響を受けるから。

それによれば何もかも絶対にゼロという状態が続くことはなく、
量子的なスケールにおいて状態はゼロを中心につねにふらふらと揺れ動く。
いわゆる量子力学におけるゆらぎ。

ある瞬間においてエネルギーがゼロでない値を取るなら、それはとりもなおさず温度もゼロではなくなるということ。

この不確定性原理によるゆらぎは白色矮星の縮退圧も生み出していると言われる。
かなり絶対的な原理。
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この回答へのお礼

ありがとうございます。と一応、お礼を言っておきますが、不確定性によるエネルギーの揺らぎもないということを、仮想粒子の対生成、対消滅もないという形で表現したつもりだったのですが、伝わらなかったようですね。

お礼日時:2022/04/26 12:30

#1さんの考え方は正しいです。

「絶対真空温度」という言葉は初めて聞きましたが、どの様な定義でしょうか。普通の物理や工学では大気圧より圧力が低い状態を「真空」と言います。真空では、ある領域(容器内部でもいい)の中の空間に浮いている分子の数が、大気圧でのそれよりも少なくなっています。よく言われる温度は、その(超)低気圧の気体分子の平均運動エネルギー(熱エネルギー)の事を指します。
さて、ある領域内に分子が一つもない状態ではどうなるかという問題ですが、分子はなくても放射(光子)は存在します。熱平衡状態にある場合の放射は「黒体放射」と呼ばれプランクの公式によって表され、空間の温度(放射温度)が下がるにつれて放射が最も強くなる波長は長く(光子エネルギーは低く)なります。この状態で温度を測ると長い時間が経つと温度計は周囲の空間温度(容器の温度)と同じになります(別の言い方をすると放射による熱伝達)。従って、#2さんは誤解をされています。
常温付近の放射温度では一番強い波長は約10μmです。137億年前のビッグバンで作られた光の名残りが宇宙背景放射として知られているピーク波長が約0.2cm(2.725Kの放射温度に相当)のマイクロ波です。さて、もっと温度が下がるとどの様になるかというと、放射電磁波の波長はもっと長くなります。もしエネルギーがゼロであったら放射の波長は無限大です。どんなバカでかい、宇宙規模の容器を作っても武鉉の長さの波は有限の空間には収まりません。つまり、どんなの光真空にしても温度(熱エネルギー)がゼロにはなれないのです。ゼロの周りでフラついていると言ってもいいでしょう。これより正確な話を要求されるのでしたら、量子力学の知識が必要です。
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この回答へのお礼

丁寧な対応の返事、ありがとうございます。しかし、全く輻射もない状況を仮定しておいたはずですし、不確定性もこの場合ではないものとするということを仮想粒子を例に用いて、説明したつもりだったのですが…。

お礼日時:2022/04/26 12:34

「温度」とは、物質の原子・分子の運動エネルギーです。


なので、原子・分子の運動が止まる -273.15℃ が「絶対零度」と呼ばれ、それ以下の温度は存在しないというか、定義できません。

https://study-z.net/100066675

従って、原子・分子の存在しない真空でも「温度」は定義できません。

ただし「エネルギー」をもった電磁波(光、電波、放射線など)は真空中でも通過できます。
現に、太陽のエネルギーは「電磁波」として地球に届きます。
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この回答へのお礼

ありがとうございます。

お礼日時:2022/04/26 12:25

ええと。


熱伝導する物質が無いってだけです。

部屋の中で空気を抜いて真空にした容器に温度計を差したら、
普通に室温を計測しますよ。
これは温度計の温度です。
差し込む温度計を温めておくと、その温度が長いこと継続します。
なぜなら熱放射以外で温度が逃げることが無いからです。

逆に太陽光を鏡やレンズで集めて温度計のセンサ部に集中させれば温度計の温度は上がります。

冷たく冷やして突っ込めば、低い温度を保ち続けます。
(真空ポットの原理ですね)

・・・

分子単位での運動が熱として認識されるので、物質の無い真空には「温度」という概念がそもそも無いって事です。
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この回答へのお礼

ありがとうございます。

お礼日時:2022/04/26 12:25

高校生で何もわかってないのかもしれませんがごめんなさい。



何もないと仮定、定義したところに、
何かをもってきて、何もなくないのに、何もない空間の何もない状態を考えることは、
何を意味するのでしょうか。

教えて下さい。
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この回答へのお礼

ご返事、ありがとうございます。しかし、やはり、よく質問の意味がよくお分かりになっていない(またはよく考えておられない)ようですね。まさに、何もない空間に温度という物理量を定義することができるか?ということを疑問にしているわけです。繰り返しになりますが、運動エネルギー=0という点(だけ)を考えれば、温度としては絶対零度と言えるかもしれない、ということで。

お礼日時:2022/04/26 12:38

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