Fragen Sie Ethan: Wohin geht die Energie eines Rotverschiebungsphotons?

Diese Woche in unserer Serie „Ask Ethan“ hat Christian Vrind das Recht erhalten, eine Antwort zu erhalten. Auf den ersten Blick stellte er eine einfache Frage:

Wohin geht die Energie einzelner Photonen, wenn sie jahrelang zwischen Sternen wandern und eine Rotverschiebung erfahren, wenn sich das Universum gleichzeitig ausdehnt Wie überwinden sie die Entfernung vom Stern zum Betrachter? Wenn ihre Wellenlänge auf dem Weg zunimmt, nimmt die Energie ab.

Schließlich wissen wir genau über Energie Bescheid - sie kann weder erzeugt noch zerstört werden.



Wenn Sie Brennholz verbrennen, können Sie davon ausgehen, dass Sie Energie erzeugen. Es passiert jedoch etwas viel Feineres:

• Molekulare Bindungen werden aufgebrochen und wieder aufgebaut und gehen von einer weniger stabilen Konfiguration (Holz und Sauerstoff) zu einer stabileren Konfiguration (Asche und Dampf) über, was mit der Freisetzung von Energie geschieht.
• Wenn Sie die freigesetzte Energiemenge berechnen und die berühmte verwenden$$$E = m c^2$






Manchmal scheint es, dass etwas Energie verliert und weder Energie noch Masse als Ausgleich erhält. Dies bezieht sich auf ein expandierendes Universum. Eine der Neuerungen, die mit dem Aufkommen der allgemeinen Relativitätstheorie von Einstein auftauchten, war das Konzept der Veränderlichkeit des Raums selbst, das kein festes Koordinatengitter mehr war, auf dem sich alles andere befindet. Das Universum kann und sollte sich je nach Menge und Ort der Materie und Energie in ihm biegen, und das Gewebe des Universums hat das Recht, sich auszudehnen und zusammenzuziehen.

Eine unerwartete Wendung ist, dass jedes Photon - ein Lichtteilchen - eine Energie hat, die durch seine Wellenlänge bestimmt wird. Und wenn sich das Gewebe des Universums ausdehnt (während es sich ausdehnt) oder zusammenzieht, ändert sich auch die Wellenlänge dieses Lichts und damit seine Energie.



Das sollte dich stören! Schließlich muss Energie in allen physikalischen Prozessen im Universum erhalten bleiben. Bietet GR die Möglichkeit einer beeinträchtigten Energieeinsparung?

Eine erschreckende Antwort: Ja vielleicht. GTR schafft es perfekt und genau, viele Größen zu bestimmen, aber Energie gehört nicht dazu. Mit anderen Worten, die Energieeinsparung folgt nicht aus Einsteins Gleichungen. Energie ist in der allgemeinen Relativitätstheorie überhaupt nicht definiert! Dies bedeutet jedoch nicht, dass wir keine Definition für sie finden können. Es bedeutet nur, dass Sie vorsichtig sein müssen.

Eine gute Analogie wäre Gas. Was passiert, wenn Sie Energie (Wärme) hinzufügen? Die Moleküle im Inneren beginnen sich schneller zu bewegen, das heißt, ihre Geschwindigkeit nimmt zu und sie breiten sich schneller aus und nehmen ein größeres Volumen ein.

Aber was passiert, wenn Sie das in einem Behälter eingeschlossene Gas erhitzen?



Die Moleküle erwärmen sich, beginnen sich schneller zu bewegen, versuchen sich auszubreiten, aber in diesem Fall stoßen sie häufig gegen die Wände des Behälters und erzeugen zusätzlichen Überdruck. Die Wände des Behälters dehnen sich aus und es wird Energie verschwendet: Die Moleküle arbeiten daran!

Dies ist sehr ähnlich zu dem, was in einem expandierenden Universum geschieht. Photonen haben Energie, die durch die Wellenlänge bestimmt wird, und mit der Ausdehnung des Universums wird diese Wellenlänge gestreckt. Photonen verlieren natürlich Energie, aber über dem Universum wird mit allem gearbeitet, was von innen Druck auf sie ausübt!



Genau genommen ist in der GTR die Energie für das Universum nicht bestimmt. Aber wenn Sie den Stoff des Universums betrachten und ihn schrumpfen lassen, was würde dann mit den Photonen darin geschehen? Ein schrumpfendes Universum würde Photonen erzeugen, was dazu führen würde, dass sie Energie gewinnen.

Und wie viel Energie? Genauso viel wie sie bei der Expansion des Universums verloren haben.

Also, ja, Christian, mit der Expansion des Universums verlieren Photonen Energie. Dies bedeutet jedoch nicht, dass keine Energie gespart wird. Dies bedeutet, dass Energie in Form von Arbeit in die Expansion des Universums fließt. Und wenn das Universum jemals seine Ausdehnung ändert und zu schrumpfen beginnt, wird diese Arbeit in die entgegengesetzte Richtung ausgeführt und geht in die Photonen im Inneren.

Es ist möglich, dass in einer vollständigeren Quantentheorie der Schwerkraft eine strengere Definition von Energie erscheint, und wir können wirklich sehen, ob sie gespeichert ist oder nicht. In Ermangelung einer solchen können wir jedoch nur das verwenden, was uns zur Verfügung steht, und wir haben bereits diese Werkzeuge und Definitionen. Ja, Photonen verlieren Energie, aber sie verschwinden nicht. Die Menge an verlorener Energie wird zu dem hinzugefügt, was in einem expandierenden Universum existiert.

Source: https://habr.com/ru/post/de400759/