真空の空間に温度はあるのでしょうか？

Question

気体の分子一つ確認できない。真空の空間ではその空間の温度を計測する事はできるのでしょうか？　原理的には絶対０℃になるのでしょうか？

実際の宇宙空間ではどうでしょうか？
実際の宇宙空間で、出来る限り電磁波や、放射線などを当たらない、かつ空間に存在する物質を排除したところで温度計を設置すると、何度くらいになるのでしょう。

nzw · Accepted Answer

真空の定義にはいくつかあり、そのうち一般的なものは
以下の3つです。
1）周りよりも圧力が低い状態
2）原子や分子、電子といった物質粒子が存在しない状態
3）量子場の基底状態

1は、工業分野で使われることが多い定義です。
2は、高校の物理でも習う、プランク定数の発見などに
つながった「真空の比熱」等の場合の定義です。
3は、量子光学や素粒子論など、第二量子化を用いる分野
で用いられる定義です。

それぞれの真空中に含まれるものは、
1）物質粒子も光子等も両方含まれている可能性があります
2）光子等の、力を媒介する粒子のみが含まれている
可能性があります。
3）物質粒子も光子等も含まれていません
つまり、後ろの定義ほど、”空”である度合いが高くなっています。ただし、最後の定義でも、場そのものは存在
しており、「何も無い」ということではありません。
たとえば、平均光子数0の真空状態でも、電場の揺らぎ
等は存在しており、実験的にそれを確認することが
可能です。量子光学の実験では、「真空が邪魔」という
ことが頻繁に起こります。

さて、それぞれの温度ですが、
1については、そこにいわゆる気体分子が存在するので、
その分布から、古典的な温度が定義できます。また、
真空の温度も、状況に応じて様様な値でありえます。
温度計を設置した場合、（真空側の熱容量が無限大と
仮定した場合）その気体の温度に一致します。

2についても、光子分布から温度が定義できます。
この場合も、様様な値でありえます。
温度計の温度も、この温度に一致します。

3の場合は、定義上、絶対零度(0K)です。
温度計の温度は下がりつづけ、0Kに収束します。

実現可能性ですが、
1は、日常的に利用されています。

2は、厳密な意味では、実現が非常に難しいのですが、
それに近い状態は作ることなら可能です。どのような
現象を考えるかによりますが、宇宙空間の物質が粗で
あるところでは、この定義で近似できる場合が多い
でしょう。この場合、温度は宇宙背景輻射の2.7Kと
なります。

3も、厳密な意味では、実現が不可能なのですが、
近い状態は作ることが可能です。また、先に述べた
ように、この真空もある種の性質を持っており、
何も無いといった素朴なイメージとは全く異なった
振る舞いをします。

ryn · Answer

どうも回答が割れているようですが，
 (1) 実験的か理論的か．
 (2) 古典的真空か量子的真空か．
 (3) 大域的か局所的か．
あたりを回答する際に明示したほうが混乱がないような気がします．

ちなみに，No.5 での私の回答は，理論，量子，局所です．
いわゆる，基底状態としての真空を考えています．
したがって，魔法瓶や背景輻射のような
電磁波すらない状況を想定しています．

あと，少し気になったので訂正です．
　絶対０℃　→　絶対零度
　絶対温度０℃　→　絶対温度0[K]
　0度K　→　0[K]
　３°ｋ　→　3[K]

silverbear · Answer

No2です。

魔法瓶の温度が変わるのは赤外線と熱伝導のせいと言うのはあっていると思います。
俺が言いたいのは「絶対零度付近にある物質の温度が室温なのは？」という事です。
すぐ隣に絶対零度近辺の真空があるのなら、魔法瓶の温度は室温-１度ぐらいにはなりそうなものです。

そもそも、温度を測定するには物質が必要ですよね。
真空では音は聞こえません。これは音を伝えるものが何も無いからです。
温度も同様に、物質が無ければ伝わらない（赤外線を除く）のだと思います。

で、今回は
>出来る限り電磁波や、放射線などを当たらない
とありますので赤外線は考えません。

そして、Ｎｏ１さんのお礼にある
>真空に温度計を置くと、・・・
ですが、それは温度計の温度を測定しているわけであって、真空の温度を測定しているわけではありません。
これを考える時にバネバカリを考えます。地球で計ると１キロあった物を月に持っていって同じバネバカリで測定すると１/６キロになりますよね。このように温度計による測定では「正しい測定」をしていないと思います。
光で測定しようにも何も無い（真に空っぽで真空ですから）ので測定不可

以上のことより、真空では温度無し　と思います。

実際の宇宙空間では、多少の物質があるので測定できるとは思いますが、それについては分かりません。

leo-ultra · Answer

既に＃６さんがご指摘のように、真空は絶対零度ではありません。周囲の温度と同じだと思います。

宇宙空間はさておき、実際の真空は真空容器の中に作られると思います。真空容器の中に分子が１個もないくらいな真空にしても、容器の壁からその温度に依存する黒体放射が起こり、真空中にその温度の光子が充ちます。

いくら真空ポンプを稼動させても光子は吸い出せませんので、真空は周りの壁と同じ温度を示すと思います。（熱平衡）

tshot · Answer

人工的な真空状態では真空容器があるはずですよね、
その場合は容器の壁が熱をもっていますから、
輻射があるはずです。容器の外からは断熱されている
とすれば
（外部との熱のやりとりがない、閉じた系という
ことです）
温度計と容器の壁のもっている熱と熱容量で平衡状態
に落ち着くと思います。

宇宙の場合ですが、温度計を銀河系の外の星も銀河
も星間物質もない場所へ置いた場合ですが、
この場合は断熱されておらず、輻射した熱は宇宙の
彼方へ飛んでいってしまいます。
上記星や銀河からの輻射のない場所であれば温度計
からの輻射で温度がどんどん下がってゆきます。
しかしこの宇宙にはビックバンの名残のバック
グラウンド輻射が宇宙中に蔓延しています。
ですから温度計はその温度の３°ｋ以下には
下がれません。回答は３°ｋでしょう

ryn · Answer

宇宙の温度というよりも真空の温度がメインということでよろしいでしょうか？

粒子なんかを真空ポンプで完全に除去できたとしても，
真空にも「場」という概念があります．
（場：真空が粒子を生成する性質・能力）

したがって，真空を 0[K] でないとすると，
黒体輻射の光子が発生してしまい，真空ではなくなってしまいます．
ということで完全な真空は 0[K] です．

jumbokeskusu · Answer

>実際の宇宙空間で、出来る限り電磁波や、放射線などを当たらない、
>かつ空間に存在する物質を排除したところで温度計を設置すると

言われるように他からの影響をできる排除すれば、0度Kに近づくのでしょうね。

ただ問題は、太陽の輻射熱です。スペースシャトルや、月面でも、太陽光が当たる側と、影の側では全然温度が違います。

nitto3 · Answer

温度計も蒸発してしまう真空かなあ。
普通の機械で真空にしても温度はあるような気がします。
そう判断しないとどこかのターニングポイントで
絶対零度が現れるということになるからね。

silverbear · Answer

温度無し　じゃないですか？　優れた断熱材にはなる事を知っていますが、すごい冷蔵庫になるという話は聞いた事がありません。
もし絶対０℃になるのなら、魔法瓶は？

BLUEPIXY · Answer

熱は物質の振動ですので、物質のないところ（概念上の理想の真空）では、意味がありません。
（温度という概念が意味を持たない）
絶対温度０℃は、物質の振動の止まった状態をいうのだったと思います。

現実の宇宙空間とかものすごく稀薄でも物質の存在するところでは温度はあります。（宇宙の平均温度については忘れました）

真空の空間に温度はあるのでしょうか？

真空の定義にはいくつかあり、そのうち一般的なものは

どうも回答が割れているようですが，

No2です。

既に＃６さんがご指摘のように、真空は絶対零度ではありません。

人工的な真空状態では真空容器があるはずですよね、

宇宙の温度というよりも真空の温度がメインということでよろしいでしょうか？

>実際の宇宙空間で、出来る限り電磁波や、放射線などを当たらない、

温度計も蒸発してしまう真空かなあ。

温度無し じゃないですか？ 優れた断熱材にはなる事を知っていますが、すごい冷蔵庫になるという話は聞いた事がありません。

熱は物質の振動ですので、物質のないところ（概念上の理想の真空）では、意味がありません。

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