Czy próżnia może mieć temperaturę?

Pytanie

Pyta Michał

Czy próżnia może mieć temperaturę? A jak tak, to co jest jej nośnikiem?

Odpowiedź

Odpowiada Mikołaj Misiak

Weźmy stalową butlę z gazem, i wyobraźmy sobie, że wypompowujemy z niej cały gaz tak, aby w środku nie pozostała ani jedna jego cząsteczka. W praktyce nigdy tego nie osiągnięto, ale teoretycznie możemy sobie coś takiego wyobrazić. Czy wtedy możemy powiedzieć, że w butli jest próżnia?

Jeśli ściany butli będą miały niezerową temperaturę, to ciągle będą emitowały fotony termiczne odpowiadające tejże temperaturze, a więc wnętrze butli będzie wypełnione fotonami. Tak więc w środku nie będzie prawdziwej próżni.

Wyobraźmy sobie teraz, że schładzamy ściany butli do temperatury zera bezwzględnego. Temperatury dokładnego zera bezwzględnego nigdy w praktyce nie da się osiągnąć, ale możemy sobie teoretycznie wyobrazić ściany butli z zupełnie nieruchomymi atomami, a więc w temperaturze zera bezwzględnego. Wtedy fotonów termicznych w środku nie będzie.

Następnie musimy pomyśleć o kosmicznych neutrinach i grawitonach, które przenikają swobodnie do wnętrza butli, i sprawiają, że próżnia w środku nie jest doskonała. Odgrodzenie się od nich jest praktycznie niemożliwe, ale teoretycznie możemy wyobrazić sobie świat, w którym nie ma kosmicznych neutrin i grawitonów.

W takim wyobrażonym świecie mamy więc do dyspozycji butlę, w środku której nie ma ani jednej cząstki – jest tam rzeczywiście doskonała próżnia.

Teraz pomyślmy o temperaturze. W kinetycznej teorii gazów jest ona proporcjonalna do średniej energii kinetycznej cząstek. Musimy więc podzielić całkowitą energię cząstek przez ilość cząstek. W przypadku próżni doskonałej jest to dzielenie zera przez zero, a więc wielkość nieokreślona. Musimy więc albo zaakceptować fakt, że temperatura próżni nie jest określona, albo spróbować określić temperaturę praktycznie, poprzez włożenie do naszej butli termometru.

Załóżmy, że pojemność cieplna termometru jest bardzo mała w porównaniu z pojemnością cieplną ścian butli. Termometr znajdujący się początkowo w niezerowej temperaturze zacznie emitować fotony termiczne, oddając przy tym energię, a zatem jego temperatura będzie spadała. Ściany butli odbiorą tę energię, ale ich temperatura wzrośnie o bardzo niewiele, ze względu na nasze założenie o dużej pojemności cieplnej ścian butli. W końcu temperatura układu ustali się na bardzo niskim poziomie. Termometr zmierzy więc temperaturę bardzo bliską zera bezwzględnego.