اسأل إيثان: أين تذهب طاقة الفوتون الأحمر؟

هذا الأسبوع في سلسلتنا "اسأل إيثان" ، فاز كريستيان فريند بالحق في الحصول على إجابة ، وسأل للوهلة الأولى سؤالًا بسيطًا:

أين تذهب طاقة الفوتونات الفردية عندما تسافر بين النجوم لسنوات وتجربة الانزياح الأحمر عندما يتوسع الكون في وقت واحد كيف يتغلبون على المسافة بين النجم والمراقب؟ كلما زاد طول الموجة على طول الطريق ، مما يعني انخفاض الطاقة.

بعد كل شيء ، نحن نعرف بالضبط عن الطاقة - لا يمكن إنشاؤها أو تدميرها.



عن طريق حرق الحطب ، يمكنك افتراض أنك تولد الطاقة. ولكن يحدث شيء أكثر دقة:

• يتم كسر الروابط الجزيئية وإعادة بنائها ، والانتقال من تكوين أقل استقرارًا (الخشب والأكسجين) إلى تكوين أكثر استقرارًا (الرماد والبخار) ، والذي يحدث مع إطلاق الطاقة.
• إذا قمت بحساب كمية الطاقة المنبعثة ، واستخدمها الشهيرة$$$E = m c^2$ ، ستجد اختلافًا طفيفًا بين كتلة مادة البدء والجزيئات المتفاعلة.
• في الواقع ، لا يتغير إجمالي كمية الطاقة بجميع أشكالها ، بما في ذلك الكتلة ، أثناء التفاعل.

تكون الاختلافات في الكتلة أكثر وضوحًا في ظواهر مثل التفاعل النووي الذي يحدث داخل الشمس. إذا قمت بقياس كتلة الشمس عند الولادة ومقارنتها مع اليوم ، فستجد أنه في 4.5 مليار سنة من إطلاق الطاقة ، فقد شيء ما حول زحل في الكتلة.



في بعض الأحيان يبدو أن شيئًا ما يفقد الطاقة ولا يكتسب طاقة أو كتلة بأي شكل من الأشكال كتعويض. هذا يشير إلى الكون الآخذ في الاتساع. كان أحد الابتكارات التي ظهرت مع ظهور النسبية العامة لأينشتاين مفهوم قابلية تغير الفضاء نفسها ، والتي توقفت عن كونها شبكة إحداثيات ثابتة ، حيث يوجد كل شيء آخر. يمكن للكون ويجب أن ينحني اعتمادًا على كمية وموقع المادة والطاقة الموجودة بداخله ، ونسيج الكون له الحق في التمدد والانكماش.

التحول غير المتوقع هو أن أي فوتون - وهو جزء من الضوء - لديه طاقة يتحدد طوله الموجي. وإذا كان نسيج الكون يمتد (أثناء توسعه) أو ينقبض ، فإن الطول الموجي لهذا الضوء ، وبالتالي طاقته ، يتغير أيضًا.



هذا يجب أن يزعجك! بعد كل شيء ، يجب الحفاظ على الطاقة في جميع العمليات الفيزيائية التي تحدث في الكون. هل تقدم GR إمكانية ضعف الحفاظ على الطاقة؟

إجابة مخيفة: نعم ، ربما. يدير GTR بشكل كامل ودقيق لتحديد كميات كثيرة ، ولكن الطاقة ليست واحدة منها. وبعبارة أخرى ، لا يتبع الحفاظ على الطاقة من معادلات أينشتاين. لم يتم تعريف الطاقة في النسبية العامة على الإطلاق! لكن هذا لا يعني أننا لا نستطيع التوصل إلى تعريف لها. هذا يعني أنك بحاجة إلى توخي الحذر.

التشابه الجيد هو الغاز. ماذا يحدث إذا أضفت طاقة (حرارة) إليها؟ تبدأ الجزيئات في الداخل في التحرك بشكل أسرع ، أي تزيد سرعتها ، وتنتشر بشكل أسرع ، وتحتل حجمًا أكبر.

ولكن ماذا يحدث إذا قمت بتسخين الغاز في حاوية؟



تسخن الجزيئات ، وتبدأ في التحرك بشكل أسرع ، وتحاول الانتشار ، ولكن في هذه الحالة غالبًا ما تصطدم بجدران الحاوية وتخلق ضغطًا إيجابيًا إضافيًا. تتوسع جدران الحاوية ، وتبدد الطاقة عليها: تقوم الجزيئات بالعمل عليها!

هذا يشبه إلى حد كبير ما يحدث في الكون الآخذ في الاتساع. تمتلك الفوتونات طاقة يحددها الطول الموجي ، ومع تمدد الكون يتمدد هذا الطول الموجي. بطبيعة الحال ، تفقد الفوتونات طاقتها ، ولكن على مستوى الكون ، يتم العمل مع كل ما يضغط عليها من الداخل!



بالمعنى الدقيق للكلمة ، في GTR لم يتم تحديد طاقة الكون. لكن إذا نظرت إلى نسيج الكون وجعلته يتقلص ، فماذا سيحدث للفوتونات الموجودة بداخله؟ الكون المتقلص سيصنع الفوتونات ، مما سيقودهم إلى اكتساب الطاقة.

وكم من الطاقة؟ مثلما خسروا في توسع الكون.

لذا ، نعم ، مسيحي ، مع توسع الكون ، تفقد الفوتونات طاقتها. لكن هذا لا يعني أن الطاقة لا يتم حفظها. هذا يعني أن الطاقة تذهب إلى توسع الكون في شكل عمل. وإذا غير الكون من توسعه وبدأ في الانكماش ، فسيتم هذا العمل في الاتجاه المعاكس ، وسيذهب إلى الفوتونات في الداخل.

من الممكن أنه في نظرية الجاذبية الكمومية الأكثر اكتمالًا ، سيظهر تعريف أكثر صرامة للطاقة ، ويمكننا حقًا معرفة ما إذا كانت مخزنة أم لا. ولكن في حالة عدم وجود واحد ، يمكننا فقط استخدام ما هو متاح لنا ، ولدينا بالفعل هذه الأدوات والتعاريف. نعم ، تفقد الفوتونات الطاقة ، لكنها لا تختفي. تضاف كمية الطاقة المفقودة إلى ما هو موجود في الكون الآخذ في التوسع.

Source: https://habr.com/ru/post/ar400759/