Pergunte a Ethan nº 60: por que a energia desaparece do universo?
A radiação cósmica de fundo no Universo já assou tudo, mas agora está quase perto do zero absoluto. Para onde foi toda a energia?
Eu acho que a coisa mais legal que você pode fazer é desaparecer por um tempo, porque isso lhe dará a chance de reaparecer.
- Josh Michael Homme
Se você pensar bem, o Big Bang é uma das abstrações mais complexas que se pode imaginar. Claro, agora o Universo está se expandindo, o que significa que antes de tudo estar mais próximo e o Universo estar mais denso. Mas como também era mais quente, as partículas continham mais energia do que hoje, quando já estão mais "frias". Nesta semana, vence a pergunta de Barry Perdot, que pergunta:Pelo que entendi, a radiação cósmica de fundo por microondas (KMFI) está gradualmente esfriando com a expansão do Universo, e as partículas KMFI com desvio para o vermelho estão mudando para comprimentos de onda crescentes e níveis de energia decrescentes. Mas para onde vai a energia dessas partículas?Vamos descobrir e entender por que essa questão é tão profunda.
É fácil entender como a densidade diminui à medida que o universo se expande e como - se de repente começar a encolher - sua densidade começará a aumentar. Afinal, densidade é apenas a quantidade de matéria em uma determinada área do espaço: densidade de massa é massa por volume, densidade quantitativa é quantidade por volume e densidade de energia é energia por volume.No caso da matéria - átomos, gás, planetas, estrelas, galáxias, até matéria escura - você pode intuitivamente relacionar isso com o espaço-tempo, que muda com o tempo. Se o espaço-tempo se expande, a densidade diminui; se contrai, cresce.
É errado pensar que o Big Bang é como uma bomba detonada em um espaço vazio, onde no centro da explosão a pressão era grande e fora dela era pequena.
De fato, todo o espaço “explodiu”, a explosão não tinha um centro e a densidade e a pressão eram as mesmas em todos os lugares. Portanto, a diferença de pressão que levaria à explosão simplesmente não existia.Tudo isso devido a alterações de volume. A massa permanece a mesma, o número de partículas permanece o mesmo que a quantidade de energia. Em um universo em expansão cheio de matéria, a densidade muda à medida que o universo se expande.Mas em um universo cheio de radiação - fótons ou partículas de luz no nosso caso - uma mudança no volume do universo leva a algumas consequências inesperadas.
Você está acostumado a contar partículas como partículas, pontos no espaço. Você as considera entidades sem tamanho; portanto, quando o Universo se expande (ou se contrai, embora isso não aconteça), as partículas permanecem as mesmas. Mas os fótons não se comportam dessa maneira.Um fóton não é apenas uma partícula (embora seja capaz de colidir e interagir na maneira de partículas), mas também se comporta como uma onda eletromagnética. E uma das características fundamentais mais fundamentais de uma onda é o comprimento, que no caso de um fóton determina sua energia.
Quanto maior a onda, menos energia e menor a onda - mais energia. Agora, em um universo do tamanho de hoje, um fóton típico que permaneceu desde os estágios iniciais do desenvolvimento do universo tem uma energia correspondente a uma temperatura de 2.725 K. Ele pode ser convertido para um comprimento de onda usando um conjunto de constantes - Boltzmann, Planck e a velocidade da luz. Então descobriremos que o comprimento de onda será igual a 5,28 mm, ou seja, aproximadamente igual ao comprimento da parte branca da unha, na hora de cortá-la.Um medidor caberá cerca de 189 desses comprimentos de onda. Mas no passado, devido à expansão do Universo, cada metro de espaço intergaláctico era menor!
Mas isso não significa que menos ondas caberiam no mesmo espaço. A densidade quantitativa por unidade de volume permanece constante. Então o que acontece então? Você pode ajustar 189 ondas desta luz a uma distância que se expandiu para o medidor de hoje!- Quando o universo tinha metade do seu tamanho hoje? 189 ondas a meio metro ou comprimento de onda de 2,64 mm
- Quando o universo tinha 10% do tamanho de hoje? 189 ondas por decímetro ou comprimento de onda de 528 mícrons
- Quando o universo estava com 0,01% do tamanho de hoje? 189 ondas em um décimo de milímetro ou comprimento de onda de 528 nanômetros - luz visível! (verde amarelo)
Quanto mais voltarmos - em um momento em que o Universo era menor - mais energia estava contida na radiação. A radiação observada hoje, permanecendo após o Big Bang, chegou até nós a partir do momento em que os primeiros átomos neutros se formaram: a superfície cósmica da última dispersão.
KMFI, a superfície da última dispersão - um análogo da luz passando através das nuvens e caindo em nossos olhos. Só podemos ver a superfície das nuvens, da qual a luz foi refletida pela última vez.E isso explica por que houve um tempo em que não havia átomos neutros (de onde o KMPI foi emitido), em que não havia núcleos atômicos (porque eles foram divididos em partes - e logo depois disso chegou o momento em que os elementos mais leves do Universo foram sintetizados), quando prótons e os nêutrons foram divididos em partes em um plasma de quarks e glúons, e ainda mais cedo, quando tudo estava tão quente que pares de partículas de matéria-antimatéria foram criados espontaneamente a partir dos raios gama incrivelmente altos que inundaram o universo.Isso também explica por que a radiação residual parece ser tão fortemente deslocada na parte de microondas do espectro. Estas são previsões simples decorrentes de leis físicas e do conceito do Big Bang.
Mas isso pode causar as mesmas perguntas que Barry. A energia não é salva? E se hoje seu nível é baixo, isso não significa que está perdido e, portanto, não é preservado? (A rigor, em GR não há definição de energia - mas não a usaremos para evitar a resposta).A energia da radiação não desapareceu; vamos olhar uma analogia. Imagine que você tem um balão que você inflou e amarrou e, quando inflado, está em equilíbrio com o ambiente. Você pode medir a quantidade de energia no ar contido dentro da bola e ficar satisfeito com isso.
Agora vamos lidar com isso com dureza e reduzi-lo em nitrogênio líquido a uma temperatura de 77 K. O nitrogênio sugará o calor das moléculas de ar (e da bola), e o volume da bola cairá.Mas isso não é tudo. Outro princípio funciona aqui: as moléculas exercem pressão nas paredes da bola, o que não permite que ela entre em colapso e, quando perdem energia, a força exercida por elas acaba sendo insuficiente e a bola começa a se comprimir. Se você puxar a bola para fora do nitrogênio e deixar o ar aquecê-lo, ele ganhará energia e inflará a bola novamente empurrando as paredes por dentro.A idéia de aplicar força em uma certa direção quando algo se move nessa direção ou na direção oposta descreve o conceito físico de trabalho. Se você empurrar para fora e algo se mover para dentro, você fará um trabalho negativo, retirando energia do sistema. Se você pressionar e sair, você fará um trabalho positivo adicionando energia ao sistema. É o que inflar balões é, talvez, o exemplo mais simples dessa combinação de força, distância e trabalho.
No caso do Universo, os fótons funcionam como o ar dentro de uma bola: eles pressionam enquanto o Universo se expande e fazem um trabalho positivo. Os fótons perdem energia, mas a energia passa para o próprio Universo e de maneira reversível! Em outras palavras, se o Universo encolher ou mesmo se recuperar, a energia adicionada a ele pelos fótons retornará a eles de volta.
Então, para onde vai a energia do fóton no universo em expansão? A energia dos fótons faz o trabalho, transferindo-o para o próprio universo.Obrigado pela maravilhosa pergunta, Barry, e espero que a explicação tenha sido esclarecida para você e para o resto. Envie-me suas perguntas e sugestões para os seguintes artigos.Source: https://habr.com/ru/post/pt395183/
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