😖 👩‍💼 ↙️ Fragen Sie Ethan Nr. 60: Warum verschwindet Energie aus dem Universum? ☝🏼 📹 🙆

Die kosmische Hintergrundstrahlung im Universum hat einst alles geröstet, aber jetzt ist sie fast nahe am absoluten Nullpunkt. Wo ist die ganze Energie geblieben?

Ich denke, das Coolste, was du tun kannst, ist für eine Weile zu verschwinden, weil es dir die Chance gibt, wieder aufzutauchen.
- Josh Michael Homme

Wenn Sie darüber nachdenken, ist der Urknall eine der komplexesten Abstraktionen, die man sich vorstellen kann. Natürlich dehnt sich das Universum jetzt aus, was bedeutet, dass vorher alles näher beieinander und das Universum dichter war. Aber es war auch heißer, so dass die Partikel darin mehr Energie hatten als heute, als sie bereits „kalter“ sind. Diese Woche gewinnt die Frage von Barry Perdot, die fragt:

Nach meinem Verständnis kühlt sich die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung (KMFI) mit der Expansion des Universums allmählich ab und KMFI-Partikel mit Rotverschiebung wechseln zu zunehmenden Wellenlängen und abnehmenden Energieniveaus. Aber wohin geht die Energie dieser Teilchen?

Lassen Sie es uns herausfinden und verstehen, warum diese Frage so tief ist.

Es ist leicht zu verstehen, wie die Dichte abnimmt, wenn sich das Universum ausdehnt, und wie - wenn es plötzlich zu schrumpfen beginnt - seine Dichte zunimmt. Schließlich ist Dichte nur die Menge an Materie in einem bestimmten Raumbereich: Massendichte ist Masse pro Volumen, quantitative Dichte ist Menge pro Volumen und Energiedichte ist Energie pro Volumen.

Im Fall von Materie - Atomen, Gas, Planeten, Sternen, Galaxien, sogar dunkler Materie - können Sie dies intuitiv mit der Raumzeit in Beziehung setzen, die sich im Laufe der Zeit ändert. Wenn sich die Raumzeit ausdehnt, nimmt die Dichte ab, wenn sie sich zusammenzieht, wächst sie.

Es ist falsch zu glauben, dass der Urknall wie eine Bombe ist, die in einem leeren Raum gezündet wird, wo im Zentrum der Explosion der Druck groß und draußen klein war.
Tatsächlich "explodierte" der gesamte Raum, die Explosion hatte kein Zentrum und die Dichte und der Druck waren überall gleich. Daher bestand die Druckdifferenz, die zur Explosion führen würde, einfach nicht.

Dies ist alles auf Volumenänderungen zurückzuführen. Die Masse bleibt gleich, die Anzahl der Partikel bleibt gleich der Energiemenge. In einem expandierenden Universum voller Materie ändert sich die Dichte, wenn sich das Universum ausdehnt.

In einem mit Strahlung gefüllten Universum - in unserem Fall Photonen oder Lichtteilchen - führt eine Änderung des Volumens des Universums zu unerwarteten Konsequenzen.

Sie sind es gewohnt, Partikel als Partikel, Punkte im Raum zu zählen. Sie betrachten sie als Entitäten ohne Größe. Wenn sich das Universum ausdehnt (oder zusammenzieht, obwohl dies nicht der Fall ist), bleiben die Partikel gleich. Aber Photonen verhalten sich nicht so.

Ein Photon ist nicht nur ein Teilchen (obwohl es in der Art von Teilchen kollidieren und interagieren kann), sondern es verhält sich auch wie eine elektromagnetische Welle. Und eine der grundlegendsten grundlegenden Eigenschaften einer Welle ist die Länge, die im Fall eines Photons seine Energie bestimmt.

Je länger die Welle, desto weniger Energie und je kürzer die Welle - desto mehr Energie. In einem Universum von heutiger Größe hat ein typisches Photon, das in den frühen Stadien der Entwicklung des Universums erhalten geblieben ist, eine Energie, die einer Temperatur von 2,725 K entspricht. Es kann mit einer Reihe von Konstanten - Boltzmann, Planck und Lichtgeschwindigkeit - in eine Wellenlänge umgewandelt werden. Dann werden wir feststellen, dass die Wellenlänge gleich 5,28 mm ist, dh ungefähr gleich der Länge des weißen Teils des Nagels, wenn es Zeit ist, ihn abzuschneiden.

Ein Meter passt auf ungefähr 189 solcher Wellenlängen. Aber in der Vergangenheit war aufgrund der Ausdehnung des Universums jeder Meter intergalaktischen Raums kleiner!

Dies bedeutet jedoch nicht, dass weniger Wellen in denselben Raum passen würden. Die quantitative Dichte pro Volumeneinheit bleibt konstant. Was passiert dann? Sie könnten 189 Wellen dieses Lichts in einer Entfernung anbringen, die sich auf den heutigen Meter ausgedehnt hat!

Wann war das Universum heute halb so groß? 189 Wellen bei einem halben Meter oder einer Wellenlänge von 2,64 mm
Wann war das Universum 10% der heutigen Größe? 189 Wellen pro Dezimeter oder 528 Mikron Wellenlänge
Wann war das Universum bei 0,01% der heutigen Größe? 189 Wellen in einem Zehntel Millimeter oder eine Wellenlänge von 528 Nanometern - sichtbares Licht! (gelbgrün)

Je weiter wir zurückgehen - zu einer Zeit, als das Universum kleiner war - desto mehr Energie war in der Strahlung enthalten. Die heute beobachtete Strahlung, die nach dem Urknall zurückblieb, kam zu uns aus der Zeit, als sich die ersten neutralen Atome bildeten: die kosmische Oberfläche der letzten Streuung.

KMFI, die Oberfläche der letzten Streuung - ein Analogon von Licht, das durch die Wolken geht und in unser Auge fällt. Wir können nur die Oberfläche der Wolken sehen, von der das Licht zum letzten Mal reflektiert wurde.

Und dies erklärt, warum es eine Zeit gab, in der es keine neutralen Atome gab (von wo aus der KMPI emittiert wurde), in der es keine Atomkerne gab (da sie in Teile zerbrochen waren - und unmittelbar danach der Moment, in dem die leichtesten Elemente des Universums synthetisiert wurden), als Protonen und Neutronen wurden in einem Quark-Gluon-Plasma in Teile zerbrochen, und noch früher, als alles so heiß war, dass aus den unglaublich energiereichen Gammastrahlen, die das Universum überfluteten, spontan Paare von Materie-Antimaterie-Partikeln erzeugt wurden.

Dies erklärt auch, warum die Reststrahlung so stark in den Mikrowellenteil des Spektrums verschoben zu sein scheint. Dies sind einfache Vorhersagen, die sich aus physikalischen Gesetzen und dem Urknallkonzept ergeben.

Dies kann jedoch zu denselben Fragen führen wie Barry. Wird nicht Energie gespart? Und wenn sein Niveau heute niedrig ist, heißt das nicht, dass es verloren geht und daher nicht erhalten bleibt? (Genau genommen gibt es in GR keine Definition von Energie - aber wir werden diese nicht verwenden, um der Antwort auszuweichen).

Die Strahlungsenergie verschwand nicht; Schauen wir uns eine Analogie an. Stellen Sie sich vor, Sie haben einen Ballon, den Sie aufgeblasen und gefesselt haben, und wenn er aufgeblasen ist, befindet er sich im Gleichgewicht mit der Umgebung. Sie können die Energiemenge in der Luft messen, die im Ball enthalten ist, und damit zufrieden sein.

Jetzt werden wir hart damit umgehen und es bei einer Temperatur von 77 K in flüssigen Stickstoff senken. Stickstoff saugt die Wärme aus den Luftmolekülen (und dem Ball) und das Volumen des Balls sinkt.

Das ist aber noch nicht alles. Hier funktioniert ein anderes Prinzip: Die Moleküle übten Druck auf die Wände des Balls aus, wodurch dieser nicht nach innen kollabieren konnte, und als sie Energie verloren, erwies sich die von ihnen ausgeübte Kraft als unzureichend, und der Ball begann sich zu komprimieren. Wenn Sie den Ball aus dem Stickstoff ziehen und die Luft ihn erwärmen lassen, gewinnt er Energie und bläst den Ball wieder auf, indem Sie die Wände von innen drücken.

Die Idee, Kraft in eine bestimmte Richtung auszuüben, wenn sich etwas in diese oder in die entgegengesetzte Richtung bewegt, beschreibt das physikalische Konzept der Arbeit. Wenn Sie nach außen drücken und sich etwas nach innen bewegt, leisten Sie eine negative Arbeit und entziehen dem System Energie. Wenn Sie herausdrücken und es sich herausbewegt, leisten Sie positive Arbeit, indem Sie dem System Energie hinzufügen. Das ist das vielleicht einfachste Beispiel für diese Kombination aus Kraft, Distanz und Arbeit.

Im Fall des Universums arbeiten Photonen wie Luft in einem Ball: Sie drücken sich heraus, während sich das Universum ausdehnt, und leisten positive Arbeit. Photonen verlieren Energie, aber Energie gelangt in das Universum selbst und auf reversible Weise! Mit anderen Worten, wenn das Universum schrumpft oder sogar wieder zusammenfällt, kehrt die von Photonen hinzugefügte Energie zu ihnen zurück.

Wohin geht die Photonenenergie im expandierenden Universum? Die Energie der Photonen macht die Arbeit und überträgt sie auf das Universum selbst.

Vielen Dank für die wundervolle Frage, Barry, und ich hoffe, dass Ihnen und den anderen die Erklärung klar gemacht wurde. Senden Sie mir Ihre Fragen und Vorschläge zu den folgenden Artikeln.

Fragen Sie Ethan Nr. 60: Warum verschwindet Energie aus dem Universum?

Die kosmische Hintergrundstrahlung im Universum hat einst alles geröstet, aber jetzt ist sie fast nahe am absoluten Nullpunkt. Wo ist die ganze Energie geblieben?

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