光子是如何产生温度的？

Question

在网上，我发现

“温度是物体中粒子平均动能的量度。”

(来源)

所以，这个温度应该是摩擦的结果。

人们还知道，光的温度取决于其种类。

那么，这是否意味着光的粒子（光子）以某种方式（可能产生摩擦）产生温度？

这让我问：无质量的东西不也应该有温度吗？

请注意，我并不是在谈论光的波动性质。

Answer 1

你引用的陈述过于简单化，通常足够正确，很有用，但在这种情况下，这让你误入歧途。

基本上，温度是能量和熵之间的关系。如果两个系统相互接触并能交换能量，那么能量更有可能流向使整个系统“更加无序”的方向，这仅仅是因为“无序”比“整洁”的方式更多。我再次过于简单化了：所有这些术语都有仔细的数学定义。一个结果温度的定义是，在一个系统中，唯一可用的自由度是其组成粒子的动能，温度最终与这些动能的平均值成正比。但这是一个结果，而不是一个假设。

没有任何内部自由度的物体，如单个光子，不可能真的有温度。但是一个合奏光子可以有温度。如果你将一组光子与一个更熟悉的具有明确温度的物体接触，例如考虑到只有一个非常小开口的烤箱内的“黑体”光子，光子在与烤箱壁相互作用时将具有特定的动能分布。

Answer 2

对你的问题的简短回答是“光子没有温度”

长话短说：不幸的是，你在互联网上引用的几乎所有内容要么明显不真实，要么只在特定情况下才是真实的。热力学和统计力学是科学中最缺乏教育和理解的概念之一，因此，虽然很不幸，但我并不惊讶互联网的错误有多严重。

因此，让我们回顾一下这些陈述，并根据需要修改它们。

温度是物体中粒子平均动能的量度

一般来说这不是真的，事实上，这是倒退的！这就像说“烤箱有煤气供应，因为它很热。”

温度是一个关于与另一个系统交换能量的平衡系统的概念。

• 一个系统：在不太哲学的情况下，在你的光子和其他感兴趣的东西周围画一个盒子。该框及其内容和交互是您的系统
• 平衡：指系统的某些性质，如温度、总能量或压力，不会随时间变化

温度的定义T美元$是$$T=\left（\frac｛\partial U｝｛\partial S｝\right）_｛V，N｝$$

换句话说，温度是总能量的量度美元$你的系统需要增加以获得另一个熵单位美元$.

• 低温：增加很多熵不需要太多能量。例如：非常冷的固体。即使只增加一点点能量，你的系统也可以进入各种新的微观状态：新的振动模式、扭转，甚至磁振子和缺陷运动
• 高温：需要大量能量才能获得更多的熵。例如：血浆。粒子已经可以获得很多位置安排，因此需要更多的能量才能获得更多的微观状态（微观状态的含义是相关的，但超出了这里的需要）。

这就是热能从热流向冷的原因：最大化熵。冷物体通过少量热量输入获得大量熵，而热物体通过少量热损失损失少量熵。所以熵是通过热量从热流向冷而最大化的。（为什么最大化熵？它最大化了微观状态的数量，从而使最大熵状态在任何给定时间都是最可能的状态，并且几率随着熵呈指数增长）。

对于粒子：当你有理想气体时，粒子不相互作用。在热平衡，即恒定温度下，上述温度的定义意味着我们已经确定$\压裂{\部分U}{\部分S}$数学有点复杂，但最后

• 固定温度意味着每种状态的相对概率（在这种情况下：理想气体粒子的速度）是其能量和温度的函数
• 所以我们可以计算平均速度

所以声明是

• 对于理想气体来说，一个特殊的情况是，温度是关于整个系统及其所有相互作用和可能的构型。理想气体是特殊的，因为根据定义，只有速度影响总能量。因此，（平均）速度-温度关系。如果您正在查看另一个系统，如橡皮筋（另一个著名的统计力学演示问题），那么速度完全偏离了重点！
• 向后：粒子具有已知的平均速度，因为它们处于固定的温度。如果粒子不处于平衡状态，那么它们的平均速度将发生变化，直到它们再次达到热平衡

温度应该是摩擦的结果

如上所述，我们现在知道温度是一个与摩擦完全分离的概念。你可以在没有热平衡的情况下，得到摩擦力。

两个对象之间的摩擦力是移动一个对象相对于另一个对象所需的力。因为它是力，我们知道力乘以距离就是功：物体相对运动的任何物体都是在两个物体的系统上做功。那工作可以导致发热（公认极为常见），但也可能导致

• 电场：在毛衣上摩擦气球。另请参阅：摩擦电学、摩擦电学系列
• 光：砸碎两个石英晶体会发出闪光。另请参阅：摩擦发光
• 振动/声音：在小提琴弦上移动琴弓

那么，这是否意味着光的粒子（光子）以某种方式（可能产生摩擦）产生温度？

现在我们更好地理解了熵：不。移动光子不需要能量，所以没有摩擦力，也就没有摩擦力。光子可以被吸收，也可以与物体相互作用，但通常不是位置的函数。光子甚至没有一个明确的位置！他们的位置概念甚至比粒子的定义更模糊，而粒子本身并没有明确的位置（参见：海森堡测不准原理，薛定谔方程）。在某处找到光子的概率是光子到达该点的所有路径及其相对相位的函数。另见：费尼曼的量子力学路径积分公式。

不应该是无质量的东西不发烧了吗？

对的！1.因为温度是系统在热平衡时的一个特性，以及2。因为粒子本身通常不是一个有趣的系统。我们通常对粒子与其他粒子的相互作用感兴趣。

最终项目：那么光和热到底是怎么回事？显然，炽热的东西会发光，因此爱迪生和灯泡也会发光！

原因是

• 与粒子不同，粒子通常守恒，因为质量通常守恒（我们不是在核物理能量！），系统中的光子数不守恒
• 事实上，系统的熵（它可以处于多少状态，以及这些状态的可能性有多大）与
• 系统中的光子数
• 以及这些光子的颜色（频率/波长）
• 这些状态称为“光子模式”
• 既然我们知道温度与能量和熵有关，每个光子数及其能量的概率是温度的函数!
• 推导过程与推导理想气体粒子的平均速度极为相似。除了自由度是光子数和波长，而不是速度和波长
• 这就是为什么热的东西会发光

“色温”是怎么回事最后这个问题可能是关于阅读色温的。例如，为什么一个灯泡可以标记为“5000K”表示“明亮的日光”，“2700K”表示”柔和的白色“

就像理想气体粒子有一个平均速度这是温度的函数，来自热物体的光子具有平均频率所有频率的光子都有不同的数量，但它们也有一个平均值。平均值也是最频繁的。所以就像理想气体的温度和平均速度之间是1:1的关系一样，热物体的温度和它发射的平均光子之间也是1:1的。

要了解更多信息，请搜索“黑体辐射”虽然你不想知道光的波动性质，但它的波动性质是黑体辐射推导的一部分。

关于黑体辐射的一个著名的相关悖论，以及与爱因斯坦光电效应诺贝尔奖的有趣联系，你也可以搜索“紫外线灾难”。你可能会喜欢它，因为它指的是微粒光的本质，特别是光子被量子化的事实：你要么有一个（或者两个，三个…），要么是0。千万不要使用0.1个光子。

Answer 3

最近有很多关于无质量物体的动量、能量和引力的问题，所以我要做一个概括性的陈述：

牛顿方程($p=百万美元$,$KE=压裂1200万v^2$,$\Phi=GM/r$)不要在非牛顿的情况下工作。

看：相对论三角：

因此，总能量是静止质量能量和动能的总和：

$$E_{tot}=KE+mc^2$$

它是静止质量能量和动量在积分中的能量：

$$E_{tot}=\sqrt{（pc）^2+（mc^2）^2}$$

将速度带入情境：

$$p=伽马mv$$ $$E_{tot}=\gamma m c^2$$

注意动能：

$$KE=E_{tot}-mc^2$$

对于$v\ll c$变为：

$$KE大约（\gamma-1）mc^2=压裂12 mv^2$$

这是我们熟悉的牛顿结果。

这只是一个注释，因为温度部分已经得到了很好的答案。

Answer 4

光子能量是

E=小时f

其中h是普朗克常数，f是频率。

特定温度T下的粒子具有一定的能量。能量变化，特定能量E的概率（rho）由玻尔兹曼分布给出：

ρ~经验（-E/（kT））

k是玻尔兹曼常数。

当原子或分子碰撞或相互作用时，它们的热能可以传递给电子，使电子达到更高的能量水平。由于这个过程，电子的能量也遵循玻尔兹曼分布。当然，这也受允许的能量状态的影响。

被激发的电子可以返回基态，从而发射光子。这是热辐射。

光子的能量也遵循玻尔兹曼分布，并通过允许的能级进行校正。光子可以再次被吸收，将电子带到更高的能级。

这就是光子与温度的关系。原子和分子处于热平衡，因为它们交换能量。它们交换能量的一种方式是通过光子，即热辐射。一切都遵循相同的能量分布。

Answer 5

温度是质量的平均动能，因为光子没有质量，所以没有质量，没有质量就等于没有平均值。平均值为零。

光光子是从某个时间点的质量中获得的纯能量$E=mc^2$和动量$p=百万美元$由于光子的速度是光速，时间就停止了，动能也不存在，但根据狭义相对论，只有外部观察者才能看到。

对具有温度的光光子的解释只是一种错觉，类似于通过热辐射产生的热辐射，直到它撞击质量以增加其熵，从而被解释为温度升高，但只解释为平均质量。

例如，汽油在温度范围内燃烧之前是不热的；绝对温度以外。

总之，光子是纯能量，不携带任何温度，但会在质量上产生温度升高，从而吸收其动量或动能。这没有任何魔法，只有机会。

光在照射到物体上之前是不可见的，物体在人体光谱中辐射出一个频率，这是红外线或紫外线设备无法使用的。用一个强大的手电筒照射到一个没有灰尘或湿气的夜晚，直到它撞到一个大质量的物体时，才能看到。