Фоновое космическое излучение во Вселенной когда-то поджарило все вокруг, но сейчас оно практически приближается к абсолютному нулю.
Куда ушла вся энергия?
Я думаю, самое крутое, что ты можешь сделать, это исчезнуть на какое-то время, потому что это дает тебе шанс появиться снова.Если задуматься, Большой взрыв — одна из самых сложных абстракций, которые только можно себе представить.— Джош Майкл Хомм
Конечно, сейчас Вселенная расширяется, а это значит, что раньше все было ближе друг к другу и Вселенная была плотнее.
Но оно также было более горячим, поэтому частицы в нем имели больше энергии по сравнению с сегодняшним днем, когда они уже «холоднее».
Победивший вопрос на этой неделе принадлежит Барри Пардо: Насколько я понимаю, космическое микроволновое фоновое излучение (CMBR) постепенно охлаждается по мере расширения Вселенной, а частицы реликтового излучения смещаются в красную сторону в сторону увеличения длины волны и уменьшения энергетических уровней.
Но куда уходит энергия этих частиц? Давайте посмотрим и поймем, почему этот вопрос настолько глубок.
Легко понять, как плотность уменьшается по мере расширения Вселенной и как – если она вдруг начнет сжиматься – ее плотность начнет увеличиваться.
В конце концов, плотность — это всего лишь количество материи в определенной области пространства: плотность массы — это масса на объем, количественная плотность — это количество на объем, а плотность энергии — это энергия на объем.
В случае с материей – атомами, газом, планетами, звездами, галактиками и даже темной материей – можно интуитивно связать это с пространством-временем, которое меняется со временем.
Если пространство-время расширяется, плотность уменьшается, если сжимается, то увеличивается.
Ошибочно думать, что Большой взрыв подобен бомбе, взорвавшейся в пустом пространстве, где в центре взрыва было большое давление, а снаружи — малое.
Фактически, всё пространство «взорвалось»; у взрыва не было центра, а плотность и давление были везде одинаковыми.
Поэтому разницы давлений, которая привела бы к взрыву, просто не существовало.
Это все происходит из-за изменения объема.
Масса остается прежней, количество частиц остается прежним, как и количество энергии.
В расширяющейся Вселенной, наполненной материей, плотность меняется по мере расширения Вселенной.
Но во Вселенной, наполненной излучением — фотонами или частицами света в нашем случае — изменение объёма Вселенной приводит к некоторым неожиданным последствиям.
Вы привыкли думать о частицах как о частицах, как о точках в пространстве.
Вы думаете о них как о сущностях без размера, поэтому, когда Вселенная расширяется (или сжимается, хотя это и не так), частицы остаются прежними.
Но фотоны ведут себя не так.
Фотон — это не только частица (хотя он способен сталкиваться и взаимодействовать наподобие частиц), но он также ведет себя как электромагнитная волна.
И одной из важнейших фундаментальных характеристик волны является ее длина, которая в случае фотона определяет его энергию.
Чем длиннее волна, тем меньше энергии, чем короче волна, тем больше энергии.
Теперь, во Вселенной сегодняшнего размера, типичный фотон, оставшийся с ранних стадий Вселенной, имеет энергию, соответствующую температуре 2,725 К.
Ее можно преобразовать в длину волны, используя набор констант - Больцман, Планк и скорость света.
Тогда мы найдем, что длина волны будет равна 5,28 мм, то есть примерно равна длине белой части ногтя, когда придет время его срезать.
Около 189 таких длин волн умещаются в метре.
Но в прошлом из-за расширения Вселенной каждый метр межгалактического пространства был меньше! 
Но это не означает, что в одном и том же пространстве может поместиться меньше волн.
Количественная плотность на единицу объема остается постоянной.
Так что же произойдет тогда? Вы могли бы уместить 189 волн этого света на расстоянии, которое увеличилось до сегодняшнего метра!
- Когда Вселенная была вдвое меньше сегодняшнего размера? 189 волн в полуметре, или длина волны 2,64 мм.
- Когда Вселенная составляла 10% от своего сегодняшнего размера? В дециметре 189 волн или длина волны 528 микрон.
- Когда размер Вселенной составлял 0,01% от сегодняшнего размера? 189 волн в одной десятой миллиметра, или длина волны 528 нанометров – видимый свет! (желто-зеленый цвет)
Наблюдаемое сегодня излучение, оставшееся от Большого взрыва, пришло к нам со времени образования первых нейтральных атомов: космической поверхности последнего рассеяния.
CMF, конечная поверхность рассеяния, аналогична свету, проходящему сквозь облака и попадающему в наш глаз.
Мы можем видеть только поверхность облаков, от которых последний раз отражался свет. И это объясняет, почему было время, когда не было нейтральных атомов (откуда излучалось реликтовое излучение), когда не было атомных ядер (потому что они были разбиты на куски – и сразу после этого наступил момент, когда легчайшие элементы Вселенная была синтезирована), когда протоны и нейтроны распались на кварк-глюонную плазму, и даже раньше, когда все было настолько горячим, что пары частиц материи-антиматерии спонтанно создавались из невероятно высокоэнергетических гамма-лучей, наводнивших Вселенную.
Это также объясняет, почему остаточное излучение оказывается настолько сильно сдвинутым в сторону микроволновой части спектра.
Это простые предсказания, основанные на законах физики и концепции Большого взрыва.
Но это может вызвать у вас те же вопросы, что и у Барри.
Разве энергия не сохраняется? И если его уровень сегодня низок, не означает ли это, что он утерян, а значит, не сохранился? (Строго говоря, в Общей теории относительности нет определения энергии – но мы не будем этим пользоваться, чтобы уйти от ответа).
Энергия излучения не исчезла; давайте посмотрим на аналогию.
Представьте, что у вас есть воздушный шар, который вы надули и завязали, и когда он надут, он находится в равновесии с окружающей средой.
Можно измерить количество энергии в воздухе, содержащемся внутри шара, и этим удовлетвориться.
Теперь отнесемся к нему жестко и опустим в жидкий азот с температурой 77 К.
Азот высосет тепло из молекул воздуха (и шарика), и объем шарика упадет. Но это еще не все.
Здесь действует другой принцип: молекулы оказывали давление на стенки шара, не давая ему схлопнуться внутрь, а когда они теряли энергию, приложенной ими силы оказалось недостаточно, и шар начал сжиматься.
Если вынуть шарик из азота и дать воздуху нагреть его, он наберет энергию и снова надует шарик, давя на стенки изнутри.
Идея приложения силы в определенном направлении, в то время как что-то движется в этом направлении или в противоположном направлении, описывает физическую концепцию работы.
Если вы выталкиваете наружу, а что-то движется внутрь, вы совершаете негативную работу, забирая энергию из системы.
Если вы толкаете наружу, и он движется наружу, вы совершаете положительную работу, добавляя энергию в систему.
Вот что такое надувание воздушного шара — пожалуй, самый простой пример сочетания силы, расстояния и работы.
В случае со Вселенной фотоны работают как воздух внутри воздушного шара: они выталкиваются наружу, пока Вселенная расширяется, и совершают положительную работу.
Фотоны теряют энергию, но энергия уходит в саму Вселенную, причем обратимо! Другими словами, если Вселенная сожмется или даже снова схлопнется, энергия, добавленная к ней фотонами, вернется к ним.
Так куда же уходит энергия фотонов в расширяющейся Вселенной? Энергия фотонов совершает работу, передавая ее самой Вселенной.
Спасибо за отличный вопрос, Барри, и я надеюсь, что объяснение было понятно вам и другим.
Присылайте мне свои вопросы и предложения для будущих статей.
Теги: #астрономия #Популярная наука #физика #фотоны #вселенная #спроси Итана #большой взрыв
-
Как Удалить Список Последних Документов
19 Oct, 24 -
Делёз, Жиль
19 Oct, 24 -
Ци-Пневма
19 Oct, 24 -
Алгоритм Выбора Местоположения В Nginx
19 Oct, 24 -
Географический Эксгибиционизм
19 Oct, 24
