👨🏾‍🏫 👩🏾‍🤝‍👨🏽 ⛹️ اسأل إيثان رقم 60: لماذا تختفي الطاقة من الكون؟ 😄 ☕️ 💅🏽

قام إشعاع الخلفية الكونية في الكون بتحميص كل شيء حوله ، ولكنه الآن يقترب من الصفر المطلق. أين ذهبت كل الطاقة؟

أعتقد أن أروع شيء يمكنك القيام به يختفي لفترة من الوقت ، لأنه سيعطيك فرصة للظهور مرة أخرى.
- جوش مايكل أوم

إذا فكرت في الأمر ، فإن الانفجار الكبير هو واحد من أكثر التجريدات المعقدة التي يمكن تخيلها. بالطبع ، الكون الآن يتوسع ، مما يعني أنه قبل أن يكون كل شيء أقرب إلى بعضها البعض وكان الكون أكثر كثافة. لكنها كانت أكثر حرارة أيضًا ، لذا فإن الجسيمات الموجودة بها لديها طاقة أكبر مقارنة بالوقت الحاضر ، عندما تكون بالفعل أكثر "برودة". هذا الأسبوع ، يفوز سؤال باري بيردو ، الذي يسأل:

كما أفهمه ، فإن إشعاع الخلفية الكونية الميكروي (KMFI) يبرد تدريجيًا مع توسع الكون ، وأن جزيئات KMFI ذات الانزياح الأحمر تتحول إلى زيادة أطوال الموجات وخفض مستويات الطاقة. ولكن أين تذهب طاقة هذه الجسيمات؟

دعونا نفهم ذلك ونفهم سبب عمق هذا السؤال.

من السهل فهم كيفية تناقص الكثافة مع توسع الكون ، وكيف - إذا بدأ فجأة في الانكماش - ستبدأ كثافته في الزيادة. بعد كل شيء ، الكثافة هي مجرد كمية المادة في منطقة معينة من الفضاء: كثافة الكتلة هي كتلة لكل حجم ، والكثافة الكمية هي كمية لكل حجم ، وكثافة الطاقة هي طاقة لكل حجم.

في حالة المادة - الذرات ، الغازات ، الكواكب ، النجوم ، المجرات ، حتى المادة المظلمة - يمكنك ربط هذا بشكل بديهي بزمان ، والذي يتغير بمرور الوقت. إذا توسع الزمكان ، تنخفض الكثافة ، إذا تقلصت ، فإنها تنمو.

من الخطأ الاعتقاد بأن الانفجار الكبير يشبه قنبلة انفجرت في مساحة فارغة ، حيث كان الضغط كبيرًا في وسط الانفجار وخارجه صغيرًا.
في الواقع ، "انفجر" الفضاء كله ، ولم يكن للانفجار مركز ، وكانت الكثافة والضغط كما هو في كل مكان. لذلك ، فإن اختلاف الضغط الذي قد يؤدي إلى الانفجار لم يكن موجودًا.

هذا كله بسبب التغيرات في الحجم. تظل الكتلة كما هي ، ويظل عدد الجسيمات كما هو الحال مع كمية الطاقة. في عالم تمدد مليء بالمادة ، تتغير الكثافة مع توسع الكون.

ولكن في الكون المليء بالإشعاع - الفوتونات أو جزيئات الضوء في حالتنا - يؤدي التغيير في حجم الكون إلى بعض العواقب غير المتوقعة.

أنت معتاد على حساب الجسيمات على أنها جسيمات ونقاط في الفضاء. تعتبرها كيانات بدون حجم ، لذلك عندما يتوسع الكون (أو يتقلص ، على الرغم من أن هذا لا يحدث) ، تبقى الجسيمات كما هي. لكن الفوتونات لا تتصرف بهذه الطريقة.

الفوتون ليس مجرد جسيم (على الرغم من أنه قادر على الاصطدام والتفاعل بطريقة الجسيمات) ، ولكنه أيضًا يتصرف مثل الموجة الكهرومغناطيسية. واحدة من أهم الخصائص الأساسية للموجة هي الطول ، والذي في حالة الفوتون يحدد طاقته.

كلما طالت الموجة ، قلّت الطاقة ، وكلما كانت الموجة أقصر ، زادت الطاقة. الآن ، في الكون بحجم اليوم ، الفوتون النموذجي الذي بقي من المراحل الأولى لتطور الكون لديه طاقة تتوافق مع درجة حرارة 2.725 ك. يمكن تحويلها إلى طول موجة باستخدام مجموعة من الثوابت - بولتزمان ، بلانك وسرعة الضوء. ثم سنجد أن الطول الموجي سيكون مساوياً 5.28 مم ، أي يساوي تقريباً طول الجزء الأبيض من الظفر ، عندما يحين وقت قطعه.

سوف يصلح المتر حوالي 189 من هذه الأطوال الموجية. ولكن في الماضي ، بسبب توسع الكون ، كان كل متر من الفضاء بين المجرات أصغر!

لكن هذا لا يعني أن موجات أقل ستلائم نفس المساحة. تظل الكثافة الكمية لكل وحدة حجم ثابتة. إذن ماذا يحدث بعد ذلك؟ يمكنك احتواء 189 موجة من هذا الضوء على مسافة امتدت إلى متر اليوم!

متى كان الكون نصف حجمه اليوم؟ 189 موجة عند نصف متر ، أو 2.64 ملم من الطول الموجي
متى كان الكون 10٪ من حجم اليوم؟ 189 موجة لكل ديسيمتر ، أو 528 ميكرون الطول الموجي
متى كان الكون بنسبة 0.01٪ من حجم اليوم؟ 189 موجة في عُشر المليمتر ، أو طول موجة يبلغ 528 نانومتر - ضوء مرئي! (أصفر أخضر)

وكلما عدنا - في وقت كان فيه الكون أصغر - تم احتواء المزيد من الطاقة في الإشعاع. الإشعاع الذي تم رصده اليوم ، والذي بقي بعد الانفجار العظيم ، جاء إلينا من الوقت الذي تكونت فيه الذرات المحايدة الأولى: السطح الكوني للانتثار الأخير.

KMFI ، سطح التشتت الأخير - تناظري للضوء يمر عبر الغيوم ويسقط في أعيننا. يمكننا فقط رؤية سطح الغيوم ، الذي انعكس فيه الضوء للمرة الأخيرة.

وهذا يفسر لماذا كان هناك وقت لم يكن فيه ذرات محايدة (من حيث انبثقت KMPI) ، عندما لم يكن هناك نوى ذرية (لأنه تم كسرها إلى أجزاء - وبعد ذلك مباشرة جاءت اللحظة التي تم فيها تصنيع العناصر الأخف من الكون) ، عندما تم تصنيع البروتونات وتم تكسير النيوترونات إلى أجزاء في بلازما كوارك جلون ، وحتى قبل ذلك ، عندما كان كل شيء ساخنًا لدرجة أن أزواج من جسيمات المادة المضادة تم إنشاؤها تلقائيًا من أشعة جاما عالية الطاقة بشكل لا يصدق والتي غمرت الكون.

وهذا يفسر أيضًا لماذا يبدو أن الإشعاع المتبقي يتحول بقوة إلى جزء الميكروويف من الطيف. هذه تنبؤات بسيطة تنبع من القوانين الفيزيائية ومفهوم الانفجار العظيم.

ولكن هذا قد يسبب لك نفس الأسئلة مثل باري. لم يتم حفظ الطاقة؟ وإذا كان مستواها اليوم منخفضًا ، فهل هذا لا يعني أنها ضائعة ، وبالتالي لم يتم الحفاظ عليها؟ (بالمعنى الدقيق للكلمة ، في GR لا يوجد تعريف للطاقة - لكننا لن نستخدم هذا من أجل تجنب الإجابة).

لم تختفي الطاقة الإشعاعية. دعونا نلقي نظرة على القياس. تخيل أن لديك بالونًا قمت بتضخيمه وربطه ، وعندما يكون منتفخًا ، يكون في حالة توازن مع البيئة. يمكنك قياس كمية الطاقة في الهواء الموجود داخل الكرة ، وتكون راضيًا عن ذلك.

الآن سنتعامل معها بقسوة ، ونخفضها إلى نيتروجين سائل عند درجة حرارة 77 كلفن. سوف يمتص النيتروجين الحرارة من جزيئات الهواء (والكرة) ، وسوف ينخفض حجم الكرة.

لكن هذا ليس كل شيء هناك مبدأ آخر يعمل هنا: فقد ضغطت الجزيئات على جدران الكرة ، والتي لم تسمح لها بالانهيار بالداخل ، وعندما فقدت الطاقة ، تبين أن القوة التي تمارسها غير كافية ، وبدأت الكرة في الضغط. إذا سحبت الكرة من النيتروجين وسمحت للهواء بتسخينها ، فستكتسب الطاقة وتضخم الكرة مرة أخرى عن طريق دفع الجدران من الداخل.

تصف فكرة تطبيق القوة في اتجاه معين عندما يتحرك شيء ما في هذا الاتجاه ، أو في الاتجاه المعاكس ، المفهوم المادي للعمل. إذا دفعت للخارج ، وشيءًا ما يتحرك للداخل ، فأنت تقوم بعمل سلبي ، وتستهلك الطاقة من النظام. إذا قمت بالدفع وخرجت ، فأنت تقوم بعمل إيجابي من خلال إضافة الطاقة إلى النظام. ربما يكون هذا هو تضخم البالون ، أبسط مثال على هذا المزيج من القوة والمسافة والعمل.

في حالة الكون ، تعمل الفوتونات مثل الهواء داخل الكرة: فهي تضغط بينما الكون يتوسع ويقوم بعمل إيجابي. تفقد الفوتونات الطاقة ، لكن الطاقة تمر في الكون نفسه ، وبطريقة قابلة للعكس! وبعبارة أخرى ، إذا انكمش الكون أو حتى انتكاس ، فإن الطاقة المضافة إليه بواسطة الفوتونات ستعود إليها مرة أخرى.

إذن ، أين تذهب طاقة الفوتون في الكون المتمدد؟ إن طاقة الفوتونات تؤدي العمل ، وتحوله إلى الكون نفسه.

شكرا على هذا السؤال الرائع يا باري وآمل أن يكون الشرح قد تم توضيحه لكم وللباقي. أرسل لي أسئلتك واقتراحاتك للمقالات التالية.

اسأل إيثان رقم 60: لماذا تختفي الطاقة من الكون؟

قام إشعاع الخلفية الكونية في الكون بتحميص كل شيء حوله ، ولكنه الآن يقترب من الصفر المطلق. أين ذهبت كل الطاقة؟

More articles: