Распределение по "Планку"

[thorin]

Munin в сообщении #969607 писал(а):

Там, где волны нет. Например, в точке ослабляющей интерференции, или просто в тени (на самом деле, это одно и то же).

То есть как, в тени не существует фотонов и ЭМ излучения?

[Munin]

Ну так там же тень! :-)

Если нужно совсем абсолютное отсутствие всего этого дела, то берёте металлическую оболочку - она образует тень со всех сторон. Да, и ещё охлаждаете её до абсолютного нуля, чтобы она сама стенками внутри себя не светила. Впрочем, гамма-кванты-то через неё пролетать будут, но это редко.

[thorin]

Munin в сообщении #969633 писал(а):

Ну так там же тень!

Munin
В иной теме заслуженные участники твердили, что ЭМ излучение (а значит и фотоны) заполняют все пространство, то есть находятся во всех ее точках. Теперь, оказывается, в тени его нету. Но ведь в любой тени есть тепловое излучение (там ведь не абсолютный нуль, даже если нету других частиц), реликтовые фотоны и т.д.

Munin в сообщении #969633 писал(а):

Если нужно совсем абсолютное отсутствие всего этого дела, то берёте металлическую оболочку - она образует тень со всех сторон. Да, и ещё охлаждаете её до абсолютного нуля, чтобы она сама стенками внутри себя не светила. Впрочем, гамма-кванты-то через неё пролетать будут, но это редко.

То есть, я так понял, это невозможно (как же охладить до абсолютного нуля то?). Но реликтовые фотоны все равно останутся и будут везде.

[Munin]

thorin в сообщении #969641 писал(а):

В иной теме заслуженные участники твердили, что ЭМ излучение (а значит и фотоны) заполняют все пространство

Ну так это подразумевается, там, где нет тени :-) Вы бы их переспросили, они бы уточнили формулировку.

Когда вам кто-то что-то отвечает, он обычно пишет главные вещи простыми словами. А не составляет юридический контракт с кучей оговорок и примечаний.

thorin в сообщении #969641 писал(а):

Но ведь в любой тени есть тепловое излучение (там ведь не абсолютный нуль, даже если нету других частиц), реликтовые фотоны и т.д.

Нет. От теплового излучения мы избавились. От реликтового - загородились. Оно ведь не чудодейственное, не умеет проходить сквозь стенки.

thorin в сообщении #969641 писал(а):

То есть, я так понял, это невозможно (как же охладить до абсолютного нуля то?).

В строгом смысле - невозможно. Но очень хорошего приближения можно достичь.

thorin в сообщении #969641 писал(а):

Но реликтовые фотоны все равно останутся и будут везде.

Нет, конечно. Они - обычные фотоны. Слово "реликтовые" не добавляет им никаких волшебных свойств. Оно просто говорит о том, как они возникли. Это такое же обозначение, как "фотоны от лампочки", "фотоны от свечки", "фотоны от Солнца". Разумеется, они не будут везде, они будут только там где видно открытое небо. В космосе - это означает, практически везде.

[thorin]

Munin в сообщении #969656 писал(а):

Нет. От теплового излучения мы избавились. От реликтового - загородились. Оно ведь не чудодейственное, не умеет проходить сквозь стенки.

То есть внутри у нас получится ЭМ вакуум.

Munin в сообщении #969656 писал(а):

В космосе - это означает, практически везде.

Я понял. То есть ЭМ излучение и фотоны везде только в том случае, когда нету чего то, мешающего их передвижению, например описанные Вами стенки, черные дыры и т.д. Иными словами в открытом космосе (в идеале, в отсутствие всяких других тел) они могут заполнять все пространство, быть везде.
Но возникает вопрос. Абсолютный ноль температуры это ведь отсутствие движения атомов. А если в некоем объеме пространства атомов вообще нет, но есть ЭМ излучение, то там все равно не абсолютный нуль, так? Что нужно для достижения абсолютного нуля температуры в таком объеме? Понизить энергию фотонов до нуля?

-- 27.01.2015, 15:56 --

И небольшое уточнение. Вот мы взяли металлическую оболочку, закрыли ею некоторую область пространства, охладили ее. Но в оболочке изначально были фотоны. Что с ними стало?

[arseniiv]

Рано или поздно они поглотятся оболочкой или вылетят наружу (если это упомянутые выше гамма-кванты). А новые таких же частот из-за низкой температуры оболочки вылезут ой как нескоро. Если оболочка будет сохранять температуру достаточно долго, внутри неё фотоны будут распределены по планковскому закону для этой температуры, вот к этому закону изначальное распределение и будет стремиться.

-- Ср янв 28, 2015 01:18:27 --

Насколько быстро — оценивать не умею.

[Munin]

thorin в сообщении #969669 писал(а):

А если в некоем объеме пространства атомов вообще нет, но есть ЭМ излучение, то там все равно не абсолютный нуль, так? Что нужно для достижения абсолютного нуля температуры в таком объеме? Понизить энергию фотонов до нуля?

Это вопрос не такой простой, и в квантовой теории поля рассматривается как температура вакуума.

Дело вот в чём. Считается (я не буду объяснять, почему), что можно задать температуру пустой области пространства. При этом, по мере того, как эта температура будет расти, виртуальные частицы будут приобретать энергию больше $mc^2,$ и становиться реальными. Но всё равно эфемерными: античастиц будет столько же, сколько частиц, и они вместе будут образовывать плазму, в которой будут постоянно сталкиваться и аннигилировать друг с другом. Но в целом плазма будет настолько горячая, что одновременно будут идти процессы рождения новых частиц и античастиц. И установится равновесие двух процессов, так что всегда будет какое-то ненулевое количество и частиц, и античастиц. Для справки, это речь идёт о температурах порядка $mc^2/k_\mathrm{B},$ то есть, скажем, для электронов - 6 миллиардов градусов. На таких температурах разница между кельвинами и градусами Цельсия становится пренебрежимо мала :-)

По мере дальнейшего роста температуры, плотность такой плазмы частиц и античастиц возрастает, а с переходом через порог $mc^2,$ в составе плазмы появляются всё новые и новые типы частиц - для каждого типа частиц своя масса и свой порог. Такое состояние вещества (вспомните, недавно это был всего лишь вакуум) образно называют "супом" элементарных частиц. Постепенно он переходит в кварк-глюонную плазму, а затем, может быть, в какие-то ещё более горячие состояния вещества. Именно в таком состоянии вещество было на ранних стадиях Большого Взрыва, перед тем как охладилось и превратилось в обычный газ.

В такой "суп" можно превратить не только вакуум, но и любое другое вещество, нагревая до таких же температур. Дело в том, что "тепловых" частиц будет рождаться настолько много, что исходные частицы затеряются среди них, составляя очень малую долю. Так что, этот "суп" почти не помнит, из чего изначально был получен.

И теперь, пойдём в обратную сторону: уменьшение температуры приведёт к тому, что из "супа" будут постепенно исчезать все частицы, пороговая энергия которых $mc^2$ становится слишком большой, чтобы они рождались. Постепенно исчезнут протоны, разные мезоны, мюоны, электроны. Но есть один тип частиц, которые не исчезнут: это фотоны, потому что у них нулевая масса, и порога рождения вообще нет. Поэтому получается, что пространство, заполненное фотонами с планковским тепловым равновесным распределением, с точки зрения КТП считается вакуумом с ненулевой температурой. Например, реликтовое излучение позволяет говорить, что температура Вселенной 2,7 К.

Можно стараться понизить эту температуру, и очень сильно, но всё-таки не до нуля. Абсолютный нуль недостижим - это III начало термодинамики, доказанное Нернстом.

[thorin]

Munin в сообщении #969756 писал(а):

Поэтому получается, что пространство, заполненное фотонами с планковским тепловым равновесным распределением, с точки зрения КТП считается вакуумом с ненулевой температурой.

Но ведь это обычные фотоны, только с очень малой энергией. Они тоже двигаются со скоростью света, тоже окружены виртуальной "шубой", тоже имеют поляризацию.

Иными словами, фотоны в оболочке останется, только у них будет ничтожно малая энергия.

[Munin]

thorin в сообщении #969776 писал(а):

Но ведь это обычные фотоны, только с очень малой энергией.

Да, обычные.

thorin в сообщении #969776 писал(а):

Иными словами, фотоны в оболочке останется, только у них будет ничтожно малая энергия.

Да, потому что стенки оболочки будут излучать их. Каждый фотон будет жить всего лишь время $L/c$ - пока он летит от одной стенки оболочки к другой.

И кроме энергии, не забывайте про плотность. Плотность тоже уменьшается вместе с уменьшением температуры.

[thorin]

Munin в сообщении #970063 писал(а):

И кроме энергии, не забывайте про плотность. Плотность тоже уменьшается вместе с уменьшением температуры.

Вот это крайне интересно. Допустим, в нашей оболочке есть десять фотонов. Зная объем оболочки и количество фотонов, можно рассчитать их среднюю плотность. Если охладить оболочку, фотоны будут терять энергию, но в ней останется все же десять фотонов: то есть плотность не изменилась?
В иной теме была довольно долгая беседа на этот счет. Речь шла о том, что при увеличении объема оболочки плотность будет падать, но фотоны (ЭМ излучение) все равно будут занимать все ее пространство. И я так и не понял, как.

[Munin]

thorin в сообщении #970105 писал(а):

Вот это крайне интересно.

Ответы на все ваши вопросы содержатся в волшебной формуле "распределение Планка".

thorin в сообщении #970105 писал(а):

Если охладить оболочку, фотоны будут терять энергию, но в ней останется все же десять фотонов: то есть плотность не изменилась?

Нет, и плотность изменится. Фотонов будет меньше десяти.

Вы не забывайте, что фотоны - это не какие-то горошины, которые болтаются в оболочке бесконечно. Это вы напоминаете Ходжу Насреддина из анекдота, когда он попытался сохранить в кувшине солнечный свет на пасмурный день. Фотоны летают со скоростью света, и постоянно долетают до стенок оболочки. В полости всегда есть фотоны только потому, что они всегда излучаются стенками. Если стенки будут излучать меньше фотонов - то и в полости будет меньше фотонов.

thorin в сообщении #970105 писал(а):

В иной теме была довольно долгая беседа на этот счет.

Откройте формулу Планка, и не будет долгих бесед - вам всё сразу станет ясно, а на ваши вопросы вы легко сможете ответить сами.

[thorin]

Munin в сообщении #970171 писал(а):

Ответы на все ваши вопросы содержатся в волшебной формуле "распределение Планка".

Я так понял, в любой области с ненулевой температурой есть фотоны, с распределением по формуле Планка.

[Munin]

Правильно. Осталось открыть и посмотреть эту формулу.

[thorin]

Munin в сообщении #970251 писал(а):

Правильно. Осталось открыть и посмотреть эту формулу.

Судя по формуле, с увеличением длины волны (уменьшением энергии и частоты) интенсивность излучения (и температура) асимптотически стремится к нулю, но никогда нуля не достигает. От обратного: с уменьшением температуры уменьшается энергия (увеличивается длина волны, уменьшается частота) фотонов, но до нуля не доходит.

[Xey]

Munin в сообщении #970171 писал(а):

В полости всегда есть фотоны только потому, что они всегда излучаются стенками. Если стенки будут излучать меньше фотонов - то и в полости будет меньше фотонов.

Надо бы отметить, что и концентрация фотонов в полости оказывает влияние на количество фотонов , излучаемых стенкой (если бы не оказывало, то можно было бы обойтись излучающим шариком, а не полостью)

Т.е. атом стенки "чувствует" спектральное распределение излучения в окружающем пространстве и излучает в тех областях спектра, где не хватает до равновесного распределения ?