💅 🗞️ 👩🏿‍✈️ Demandez à Ethan n ° 60: pourquoi l'énergie disparaît-elle de l'univers? 👧 🚲 👩🏿‍⚕️

Le rayonnement cosmique de fond dans l'Univers a jadis tout torréfié, mais il est maintenant presque proche du zéro absolu. Où est passée toute l'énergie?

Je pense que la chose la plus cool que vous puissiez faire est de disparaître pendant un certain temps, car cela vous donnera une chance de réapparaître.
- Josh Michael Homme

Si vous y réfléchissez, le Big Bang est l'une des abstractions les plus complexes que l'on puisse imaginer. Bien sûr, maintenant l'Univers est en expansion, ce qui signifie qu'avant tout était plus proche les uns des autres et que l'Univers était plus dense. Mais il faisait aussi plus chaud, donc les particules qu'il contenait avaient plus d'énergie qu'aujourd'hui, alors qu'elles étaient déjà plus «froides». Cette semaine, la question de Barry Perdo gagne, qui demande: si

je comprends bien, le rayonnement de fond micro-ondes cosmique (KMFI) se refroidit progressivement avec l'expansion de l'Univers, et que les particules KMFI avec décalage vers le rouge passent à des longueurs d'onde croissantes et à des niveaux d'énergie décroissants. Mais où va l'énergie de ces particules?

Voyons cela et comprenons pourquoi cette question est si profonde.

Il est facile de comprendre comment la densité diminue à mesure que l'univers se développe et comment - si elle commence soudainement à rétrécir - sa densité commencera à augmenter. Après tout, la densité n'est que la quantité de matière dans une certaine zone de l'espace: la densité de masse est la masse par volume, la densité quantitative est la quantité par volume et la densité d'énergie est l'énergie par volume.

Dans le cas de la matière - atomes, gaz, planètes, étoiles, galaxies, même matière noire - vous pouvez intuitivement relier cela à l'espace-temps, qui change avec le temps. Si l'espace-temps se dilate, la densité diminue, si elle se contracte, elle croît.

Il est faux de penser que le Big Bang est comme une bombe qui a explosé dans un espace vide, où au centre de l'explosion la pression était forte et à l'extérieur elle était petite.
En fait, tout l'espace a «explosé», l'explosion n'avait pas de centre, et la densité et la pression étaient les mêmes partout. Par conséquent, la différence de pression qui conduirait à l'explosion n'existait tout simplement pas.

Tout cela est dû aux changements de volume. La masse reste la même, le nombre de particules reste le même que la quantité d'énergie. Dans un univers en expansion rempli de matière, la densité change à mesure que l'univers se développe.

Mais dans un Univers rempli de rayonnements - photons ou particules de lumière dans notre cas - un changement de volume de l'Univers entraîne des conséquences inattendues.

Vous avez l'habitude de compter les particules comme des particules, des points dans l'espace. Vous les considérez comme des entités sans taille, donc lorsque l'Univers se dilate (ou se contracte, bien que cela ne se produise pas), les particules restent les mêmes. Mais les photons ne se comportent pas de cette façon.

Un photon n'est pas seulement une particule (bien qu'il puisse entrer en collision et interagir à la manière de particules), mais il se comporte également comme une onde électromagnétique. Et l'une des caractéristiques fondamentales les plus fondamentales d'une onde est la longueur qui, dans le cas d'un photon, détermine son énergie.

Plus la vague est longue, moins il y a d'énergie, et plus la vague est courte - plus il y a d'énergie. Maintenant, dans l'univers de la taille d'aujourd'hui, un photon typique qui est resté depuis les premiers stades du développement de l'univers a une énergie correspondant à une température de 2,725 K.Il peut être converti en longueur d'onde en utilisant un ensemble de constantes - Boltzmann, Planck et la vitesse de la lumière. Ensuite, nous constaterons que la longueur d'onde sera égale à 5,28 mm, c'est-à-dire approximativement égale à la longueur de la partie blanche de l'ongle, lorsqu'il sera temps de le couper.

Un mètre s'adaptera à environ 189 de ces longueurs d'onde. Mais dans le passé, en raison de l'expansion de l'Univers, chaque mètre d'espace intergalactique était plus petit!

Mais cela ne signifie pas que moins de vagues rentreraient dans le même espace. La densité quantitative par unité de volume reste constante. Que se passe-t-il alors? Vous pourriez adapter 189 ondes de cette lumière à une distance qui s'est étendue au mètre d'aujourd'hui!

Quand l'univers était-il la moitié de sa taille aujourd'hui? 189 ondes à un demi-mètre, soit une longueur d'onde de 2,64 mm
Quand l'univers représentait-il 10% de la taille actuelle? 189 ondes par décimètre, ou longueur d'onde de 528 microns
Quand l'univers était-il à 0,01% de la taille actuelle? 189 ondes dans un dixième de millimètre, ou une longueur d'onde de 528 nanomètres - lumière visible! (jaune vert)

Plus nous remontons - à une époque où l'Univers était plus petit - plus le rayonnement contenait d'énergie. Le rayonnement observé aujourd'hui, restant après le Big Bang, nous est venu du temps où les premiers atomes neutres se sont formés: la surface cosmique de la dernière diffusion.

KMFI, la surface de la dernière diffusion - un analogue de la lumière traversant les nuages et tombant dans nos yeux. Nous ne pouvons voir que la surface des nuages, d'où la lumière a été réfléchie pour la dernière fois.

Et cela explique pourquoi il fut un temps où il n'y avait pas d'atomes neutres (d'où le KMPI a été émis), où il n'y avait pas de noyaux atomiques (parce qu'ils étaient brisés en parties - et juste après cela est venu le moment où les éléments les plus légers de l'Univers ont été synthétisés), lorsque les protons et les neutrons ont été brisés en parties dans un plasma de quarks et de gluons, et même plus tôt, quand tout était si chaud que des paires de particules de matière-antimatière ont été spontanément créées à partir des rayons gamma incroyablement énergétiques qui ont inondé l'univers.

Cela explique également pourquoi le rayonnement résiduel semble être si fortement déplacé dans la partie micro-ondes du spectre. Ce sont de simples prédictions issues des lois physiques et du concept du Big Bang.

Mais cela peut vous poser les mêmes questions que Barry. L'énergie n'est-elle pas économisée? Et si aujourd'hui son niveau est bas, cela ne signifie-t-il pas qu'il est perdu, et donc non conservé? (Strictement parlant, dans GR il n'y a pas de définition de l'énergie - mais nous ne l'utiliserons pas pour éluder la réponse).

L'énergie de rayonnement n'a pas disparu; regardons une analogie. Imaginez que vous avez un ballon que vous avez gonflé et attaché, et lorsqu'il est gonflé, il est en équilibre avec l'environnement. Vous pouvez mesurer la quantité d'énergie contenue dans l'air contenu dans le ballon et en être satisfait.

Maintenant, nous allons le traiter durement et le réduire en azote liquide à une température de 77 K. L'azote aspirera la chaleur des molécules d'air (et de la balle), et le volume de la balle baissera.

Mais ce n'est pas tout. Un autre principe fonctionne ici: les molécules exerçaient une pression sur les parois de la balle, ce qui ne lui permettait pas de s'effondrer à l'intérieur, et lorsqu'elles perdaient de l'énergie, la force exercée par elles s'avérait insuffisante et la balle commençait à se comprimer. Si vous tirez le ballon hors de l'azote et laissez l'air le chauffer, il gagnera de l'énergie et gonflera à nouveau le ballon en poussant les murs de l'intérieur.

L'idée d'appliquer la force dans une certaine direction lorsque quelque chose bouge dans cette direction, ou dans la direction opposée, décrit le concept physique du travail. Si vous poussez vers l'extérieur et que quelque chose se déplace vers l'intérieur, vous effectuez un travail négatif, en prenant l'énergie du système. Si vous poussez et qu'il se déplace, vous faites un travail positif en ajoutant de l'énergie au système. C'est ce que le gonflage du ballon est, peut-être, l'exemple le plus simple de cette combinaison de force, de distance et de travail.

Dans le cas de l'Univers, les photons fonctionnent comme de l'air à l'intérieur d'une balle: ils se pressent tandis que l'Univers se dilate et fait un travail positif. Les photons perdent de l'énergie, mais l'énergie passe dans l'Univers lui-même, et de manière réversible! En d'autres termes, si l'Univers rétrécit ou même recule, l'énergie qui lui est ajoutée par les photons lui reviendra.

Alors, où va l'énergie des photons dans l'univers en expansion? L'énergie des photons fait le travail, la transférant à l'univers lui-même.

Merci pour la merveilleuse question, Barry, et j'espère que l'explication a été claire pour vous et les autres. Envoyez-moi vos questions et suggestions pour les articles suivants.

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