Tanya Ethan: kemana energi foton pergeseran merah pergi?

Minggu ini dalam seri kami "Tanya Ethan," Christian Vrind memenangkan hak untuk mendapatkan jawaban, dengan bertanya, pada pandangan pertama, sebuah pertanyaan sederhana:

Di mana energi masing-masing foton pergi ketika mereka bepergian antara bintang selama bertahun-tahun dan mengalami pergeseran merah ketika alam semesta mengembang pada suatu waktu bagaimana mereka mengatasi jarak dari bintang ke pengamat? Saat panjang gelombang mereka meningkat di sepanjang jalan, yang berarti energi berkurang.

Bagaimanapun, kita tahu persis tentang energi - energi tidak dapat diciptakan atau dihancurkan.



Dengan membakar kayu bakar, Anda dapat berasumsi bahwa Anda sedang menciptakan energi. Tetapi sesuatu yang jauh lebih halus sedang terjadi:

• Ikatan molekul putus dan dibangun kembali, beralih dari konfigurasi yang kurang stabil (kayu dan oksigen) ke konfigurasi yang lebih stabil (abu dan uap), yang terjadi dengan pelepasan energi.
• Jika Anda menghitung jumlah energi yang dilepaskan, dan gunakan yang terkenal$$$E = m c^2$






Kadang-kadang tampaknya ada sesuatu yang kehilangan energi dan tidak memperoleh energi atau massa dengan cara apa pun sebagai kompensasi. Ini mengacu pada alam semesta yang mengembang. Salah satu inovasi yang muncul dengan munculnya relativitas umum Einstein adalah konsep sifat berubah-ubah ruang itu sendiri, yang berhenti menjadi grid koordinat tetap, di mana segala sesuatu berada. Semesta dapat dan harus membungkuk tergantung pada jumlah dan lokasi materi dan energi di dalamnya, dan jalinan Semesta memiliki hak untuk berkembang dan berkontraksi.

Giliran yang tidak terduga adalah bahwa setiap foton - partikel cahaya - memiliki energi yang ditentukan oleh panjang gelombangnya. Dan jika jalinan Semesta membentang (saat mengembang) atau berkontraksi, maka panjang gelombang cahaya ini, dan karenanya energinya, juga berubah.



Ini seharusnya mengganggumu! Bagaimanapun, energi harus dilestarikan dalam semua proses fisik yang terjadi di Semesta. Apakah GR menawarkan kemungkinan gangguan konservasi energi?

Jawaban yang menakutkan: ya, mungkin. GTR mengelola dengan sempurna dan akurat untuk menentukan banyak kuantitas, tetapi energi bukanlah salah satunya. Dengan kata lain, konservasi energi tidak mengikuti dari persamaan Einstein. Energi sama sekali tidak didefinisikan dalam relativitas umum! Tetapi ini tidak berarti bahwa kita tidak dapat memberikan definisi untuknya. Itu berarti Anda harus berhati-hati.

Analogi yang baik adalah gas. Apa yang terjadi jika Anda menambahkan energi (panas) ke dalamnya? Molekul di dalam mulai bergerak lebih cepat, yaitu, kecepatannya meningkat, dan mereka menyebar lebih cepat, menempati volume yang lebih besar.

Tetapi apa yang terjadi jika Anda memanaskan gas yang tertutup dalam wadah?



Molekul memanas, mulai bergerak lebih cepat, mencoba menyebar, tetapi dalam kasus ini mereka sering menabrak dinding wadah dan menciptakan tekanan positif tambahan. Dinding wadah mengembang, dan energi terbuang sia-sia: molekul-molekul mengerjakannya!

Ini sangat mirip dengan apa yang terjadi di alam semesta yang mengembang. Foton memiliki energi yang ditentukan oleh panjang gelombang, dan dengan perluasan Semesta panjang gelombang ini direntangkan. Foton, tentu saja, kehilangan energi, tetapi di atas Semesta, pekerjaan dilakukan dengan semua yang memberikan tekanan padanya dari dalam!



Sebenarnya, dalam GTR energi untuk Semesta tidak ditentukan. Tetapi jika Anda melihat jalinan alam semesta dan membuatnya menyusut, lalu apa yang akan terjadi pada foton di dalamnya? Alam semesta yang menyusut akan melakukan foton, yang akan menuntun mereka untuk mendapatkan energi.

Dan berapa banyak energi? Sama seperti mereka hilang dalam perluasan alam semesta.

Jadi, ya, Christian, dengan perluasan Semesta, foton kehilangan energi. Tetapi ini tidak berarti bahwa energi tidak dilestarikan. Ini berarti bahwa energi masuk ke perluasan alam semesta dalam bentuk karya. Dan jika Semesta pernah mengubah ekspansi dan mulai menyusut, pekerjaan ini akan dilakukan dalam arah yang berlawanan, dan akan masuk ke foton di dalamnya.

Ada kemungkinan bahwa dalam teori gravitasi kuantum yang lebih lengkap, definisi energi yang lebih ketat akan muncul, dan kita dapat benar-benar melihat apakah itu disimpan atau tidak. Tetapi dengan tidak adanya satu, kita hanya dapat menggunakan apa yang tersedia untuk kita, dan kita sudah memiliki alat dan definisi ini. Ya, foton kehilangan energi, tetapi tidak hilang. Jumlah energi yang hilang ditambahkan ke apa yang ada di alam semesta yang mengembang.

Source: https://habr.com/ru/post/id400759/