🦁 🥥 🕢 Tanyakan Ethan No. 60: mengapa energi menghilang dari alam semesta? 👸 💃🏼 🔌

Latar belakang radiasi kosmik di Semesta pernah memanggang segala yang ada di sekitarnya, tetapi sekarang hampir mendekati nol absolut. Ke mana perginya semua energi?

Saya pikir hal paling keren yang dapat Anda lakukan adalah menghilang sebentar, karena itu akan memberi Anda kesempatan untuk muncul kembali.
- Josh Michael Homme

Jika Anda memikirkannya, Big Bang adalah salah satu abstraksi paling kompleks yang dapat dibayangkan. Tentu saja, sekarang Semesta berkembang, yang berarti bahwa sebelum semuanya lebih dekat satu sama lain dan Semesta lebih padat. Tapi itu juga lebih panas, sehingga partikel di dalamnya memiliki lebih banyak energi dibandingkan hari ini, ketika mereka sudah lebih "dingin". Minggu ini, pertanyaan Barry Perdot menang, yang bertanya:

Seperti yang saya pahami, radiasi latar belakang gelombang mikro kosmik (KMFI) secara bertahap didinginkan dengan perluasan Semesta, dan bahwa partikel KMFI dengan pergeseran merah beralih ke peningkatan panjang gelombang dan penurunan tingkat energi. Tetapi kemana energi partikel-partikel ini pergi?

Mari kita mencari tahu dan memahami mengapa pertanyaan ini begitu dalam.

Sangat mudah untuk memahami bagaimana kepadatan menurun ketika alam semesta mengembang, dan bagaimana - jika tiba-tiba mulai menyusut - kepadatannya akan mulai meningkat. Bagaimanapun, kepadatan hanyalah jumlah materi di area ruang tertentu: kepadatan massa adalah massa per volume, kepadatan kuantitatif adalah kuantitas per volume, dan kepadatan energi adalah energi per volume.

Dalam hal materi - atom, gas, planet, bintang, galaksi, bahkan materi gelap - Anda dapat menghubungkannya secara intuitif dengan ruang-waktu, yang berubah seiring waktu. Jika ruang-waktu mengembang, kepadatan berkurang, jika menyusut, ia tumbuh.

Adalah salah untuk berpikir bahwa Big Bang itu seperti sebuah bom yang diledakkan di ruang kosong, di mana di pusat ledakan tekanannya besar dan di luarnya kecil.
Bahkan, seluruh ruang "meledak", ledakan itu tidak memiliki pusat, dan kepadatan dan tekanannya sama di mana-mana. Oleh karena itu, perbedaan tekanan yang akan menyebabkan ledakan sama sekali tidak ada.

Ini semua karena perubahan volume. Massa tetap sama, jumlah partikel tetap sama dengan jumlah energi. Di alam semesta yang mengembang penuh dengan materi, kepadatan berubah saat alam semesta mengembang.

Tetapi dalam Semesta yang dipenuhi dengan radiasi - foton atau partikel cahaya dalam kasus kita - perubahan volume Semesta menyebabkan beberapa konsekuensi yang tidak terduga.

Anda terbiasa menghitung partikel sebagai partikel, titik di ruang angkasa. Anda menganggapnya entitas tanpa ukuran, jadi ketika Semesta mengembang (atau berkontraksi, meskipun ini tidak terjadi), partikel-partikelnya tetap sama. Tetapi foton tidak berperilaku seperti ini.

Sebuah foton bukan hanya partikel (meskipun ia dapat bertabrakan dan berinteraksi dengan cara partikel), tetapi juga berperilaku seperti gelombang elektromagnetik. Dan salah satu karakteristik fundamental paling mendasar dari gelombang adalah panjangnya, yang dalam kasus foton menentukan energinya.

Semakin lama gelombang, semakin sedikit energi, dan semakin pendek gelombang - semakin banyak energi. Sekarang, di alam semesta dengan ukuran saat ini, foton khas yang tetap dari tahap awal pengembangan alam semesta memiliki energi yang bersesuaian dengan suhu 2,725 K. Itu dapat dikonversi menjadi panjang gelombang menggunakan seperangkat konstanta - Boltzmann, Planck dan kecepatan cahaya. Kemudian kita akan menemukan bahwa panjang gelombang akan sama dengan 5,28 mm, yaitu kira-kira sama dengan panjang bagian putih kuku, ketika tiba saatnya untuk memotongnya.

Satu meter akan sesuai dengan 189 panjang gelombang tersebut. Tetapi di masa lalu, karena perluasan Semesta, setiap meter ruang intergalaksi lebih kecil!

Tetapi ini tidak berarti bahwa lebih sedikit ombak yang cocok di ruang yang sama. Kepadatan kuantitatif per satuan volume tetap konstan. Jadi apa yang terjadi kemudian? Anda bisa memuat 189 gelombang cahaya ini pada jarak yang telah meluas ke meteran hari ini!

Kapan alam semesta setengah ukurannya hari ini? 189 gelombang pada setengah meter, atau panjang gelombang 2,64 mm
Kapan alam semesta 10% dari ukuran saat ini? 189 gelombang per desimeter, atau panjang gelombang 528 mikron
Kapan alam semesta pada 0,01% dari ukuran saat ini? 189 gelombang dalam sepersepuluh milimeter, atau panjang gelombang 528 nanometer - cahaya tampak! (hijau kuning)

Semakin jauh kita kembali - pada saat Semesta lebih kecil - semakin banyak energi yang terkandung dalam radiasi. Radiasi yang diamati hari ini, tersisa setelah Big Bang, datang kepada kita sejak saat atom netral pertama terbentuk: permukaan kosmik dari hamburan terakhir.

KMFI, permukaan hamburan terakhir - analog cahaya yang melewati awan dan jatuh ke mata kita. Kita hanya bisa melihat permukaan awan, dari mana cahaya dipantulkan untuk terakhir kalinya.

Dan ini menjelaskan mengapa ada saat ketika tidak ada atom netral (dari mana KMPI dipancarkan), ketika tidak ada inti atom (karena mereka dipecah menjadi beberapa bagian - dan tepat setelah itu muncul saat ketika unsur-unsur paling ringan dari Semesta disintesis), ketika proton dan neutron dipecah menjadi beberapa bagian dalam plasma quark-gluon, dan bahkan lebih awal, ketika semuanya begitu panas sehingga pasangan partikel antimateri materi secara spontan diciptakan dari sinar gamma berenergi sangat tinggi yang membanjiri alam semesta.

Ini juga menjelaskan mengapa radiasi residu tampaknya sangat bergeser ke bagian gelombang mikro dari spektrum. Ini adalah prediksi sederhana yang berasal dari hukum fisika dan konsep Big Bang.

Tetapi ini dapat menyebabkan Anda memiliki pertanyaan yang sama dengan Barry. Bukankah energi dihemat? Dan jika hari ini levelnya rendah, bukankah ini berarti ia hilang, dan karenanya tidak dipertahankan? (Sebenarnya, dalam GR tidak ada definisi energi - tetapi kami tidak akan menggunakan ini untuk menghindari jawaban).

Energi radiasi tidak hilang; mari kita lihat analoginya. Bayangkan Anda memiliki balon yang telah Anda kembungkan dan ikat, dan ketika mengembang, balon itu berada dalam keseimbangan dengan lingkungan. Anda dapat mengukur jumlah energi di udara yang terkandung di dalam bola, dan puaslah dengan ini.

Sekarang kita akan menghadapinya dengan keras, dan menurunkannya menjadi nitrogen cair pada suhu 77 K. Nitrogen akan menyedot panas dari molekul udara (dan bola), dan volume bola akan turun.

Tapi itu belum semuanya. Prinsip lain bekerja di sini: molekul-molekul memberikan tekanan pada dinding bola, yang tidak membiarkannya runtuh di dalam, dan ketika mereka kehilangan energi, gaya yang diberikan oleh mereka ternyata tidak mencukupi, dan bola mulai menekan. Jika Anda menarik bola keluar dari nitrogen dan membiarkan udara memanaskannya, itu akan mendapatkan energi dan mengembang bola lagi dengan mendorong dinding dari dalam.

Gagasan menerapkan kekuatan dalam arah tertentu ketika sesuatu bergerak dalam hal ini, atau dalam arah yang berlawanan, menggambarkan konsep fisik kerja. Jika Anda mendorong keluar, dan sesuatu bergerak ke dalam, Anda melakukan pekerjaan negatif, mengambil energi dari sistem. Jika Anda mendorong keluar dan bergerak keluar, Anda melakukan pekerjaan positif dengan menambahkan energi ke sistem. Mungkin itulah yang menggembungkan balon, mungkin, contoh paling sederhana dari kombinasi kekuatan, jarak, dan kerja ini.

Dalam kasus Semesta, foton bekerja seperti udara di dalam bola: foton itu keluar saat Semesta mengembang dan melakukan pekerjaan positif. Foton kehilangan energi, tetapi energi masuk ke Semesta itu sendiri, dan dengan cara yang dapat dibalik! Dengan kata lain, jika Alam Semesta menyusut atau bahkan kembali, energi yang ditambahkan padanya oleh foton akan kembali padanya.

Jadi, kemana perginya energi foton di alam semesta yang mengembang? Energi foton bekerja, memindahkannya ke alam semesta itu sendiri.

Terima kasih atas pertanyaan yang luar biasa, Barry, dan saya harap penjelasannya menjadi jelas bagi Anda dan yang lainnya. Kirimkan saya pertanyaan dan saran Anda untuk artikel berikut.

Tanyakan Ethan No. 60: mengapa energi menghilang dari alam semesta?

Latar belakang radiasi kosmik di Semesta pernah memanggang segala yang ada di sekitarnya, tetapi sekarang hampir mendekati nol absolut. Ke mana perginya semua energi?

More articles: