Siirry pääsisältöön
30.6.2021

Miten fotoni kulkisi tyhjiössä, jossa olisi absoluuttinen nollapiste?

Kysymys: Miten fotoni kulkisi tyhjiössä, jossa olisi absoluuttinen nollapiste? Olisiko sielläkin sähkömagneettista säteilyä?

Tutkijatohtori Mikko Partanen, Aalto-yliopisto:

Tyhjiö tarkoittaa tilaa, jossa ei ole lainkaan ainetta.  Yleinen esimerkki tyhjiöstä on taivaankappaleiden välinen avaruus. Kun Maasta matkustaa avaruuteen, tyhjiö alkaa vähitellen ilmakehän eli aineen vähentyessä ja Maan jäädessä taakse. Näin saavutetaan lopulta taivaankappaleiden välinen avaruus. Se on hyvä tyhjiö, mutta tarkkaan ottaen sekään ei ole täydellinen tyhjiö, sillä sielläkin on ainetta, tosin todella harvassa.

Fotoni eli valokvantti on puolestaan sähkömagneettisen kentän välittäjänä toimiva hiukkanen, jolla ei ole massaa. Se siis ei ole ainetta, joten siksi fotoneja voi esiintyä myös täydellisessä tyhjiössä. Hyvä esimerkki sähkömagneettisesta kentästä on näkyvä valo, jota saapuu Maahan esimerkiksi Auringosta ja muista tähdistä avaruuden muodostaman tyhjiön läpi.

Fotonit kulkevat täydellisessä tyhjiössä aina sähkömagneettisen kentän poikittaisena aaltoliikkeenä suurimmalla mahdollisella nopeudella eli valon nopeudella 299792458 m/s. Jos tyhjiö ei ole täydellinen, vaan siellä on ainetta, valon ja aineen vuorovaikutus hidastaa sähkömagneettisen kentän etenemistä tekijällä, jota kutsutaan aineen taitekertoimeksi. Taitekerroin riippuu yleensä aineen lämpötilasta.

Mietitäänpä seuraavaksi lämpötilan käsitettä. Vallitseva lämpötila saadaan määriteltyä aineen hiukkasten keskimääräisen liike-energian avulla tai vaihtoehtoisesti lämpösäteilyä välittävien fotonien tiheyden ja aallonpituusjakauman perusteella. Koska täydellisestä tyhjiöstä puuttuu aine, lämpötilan määrittäminen perustuu siellä aina lämpösäteilyyn. Taivaankappaleiden välisessä avaruudessa keskimäärin esiintyvän lämpösäteilyn eli niin sanotun kosmisen taustasäteilyn lämpötila on -270,425 celsiusastetta.

Absoluuttinen nollapiste -273,15 celsiusastetta on alin mahdollinen aineen lämpötila. Kun sitä lähestytään, kaikki aineessa mitattavissa oleva lämpöliike lakkaa. Samalla myös lämpösäteilyn määrä pienenee siten, että absoluuttisessa nollapisteessä lämpösäteilyä ei esiinny enää lainkaan. Vastaus kysymykseen on siis, että absoluuttisessa nollapisteessä ei voi olla fotoneja tai sähkömagneettista säteilyä. Ei siis ole mielekästä tarkastella fotonin kulkua tällaisen tyhjiön läpi.

Jos absoluuttisessa nollapisteessä olevaan tyhjiöön tuotaisiin yksikin fotoni, se ei olisi enää absoluuttisessa nollapisteessä. Yksittäisen fotonin tapauksessa säteilyn lämpötilaa ei kuitenkaan voida määritellä hyvin, sillä fotonien tiheyden ja aallonpituusjakauman määrittämiseen tarvitaan useita fotoneja.

Viimeksi muokattu 30.6.2021

Tietysti.fi on Suomen Akatemian sivusto, joka kertoo yleistajuisesti Akatemian rahoittamasta tutkimuksesta sekä tieteestä ja tutkimuksesta yleensä. Sivuille kootaan muun muassa tutkijahaastatteluita, tieteen yleisötapahtumia, tiedeuutisia ja tutkimuksesta kertovia taustajuttuja.

Seuraa meitä:
 
Facebook logo  Twitter logo  Youtube logo

Ota yhteyttä

Suomen Akatemian viestintä
terhi.loukiainen@aka.fi

Suomen Akatemian logo

Lisätietoja Suomen Akatemiasta www.aka.fi

SAAVUTETTAVUUS