A energia é conservada em um universo com energia escura?
Crédito da imagem: imagem composta BRI do FORS Deep Field, ESO, VLT.
O espaço se estende ou um novo espaço é criado, e o que isso significa para a conservação de energia?
Se você se colocar em uma posição em que precisa se esticar fora de sua zona de conforto, será forçado a expandir sua consciência .
-Os pardos
É um dos fatos mais surpreendentes do Universo, que quando olhamos além de nossa própria galáxia para as grandes espirais e elípticas além, encontramos literalmente bilhões delas. À medida que olhamos cada vez mais longe, essas galáxias parecem menores e mais fracas, mas continuam a ser encontradas em grande abundância milhões, bilhões e até dezenas bilhões de anos-luz de distância.
Crédito da imagem: NASA/ESA.
Mas esta notável coleção de centenas de bilhões de galáxias não apenas sentar lá no Universo; nosso Universo não é estático. Em vez disso, todas as galáxias do Universo tendem a expandir para longe um do outro , e embora a gravitação possa aglomerado e aglomerado galáxias juntas, nas maiores escalas, galáxias e aglomerados são não vinculado , e eventualmente se expandirá para longe de tudo o que ainda não está gravitacionalmente ligado.
Isso significa que a estrutura que vemos no Universo hoje não era assim no passado; galáxias e aglomerados costumavam estar mais próximos no passado. Além disso, a estrutura do Universo não vai seja assim no futuro também; galáxias e aglomerados serão separados por distâncias cada vez maiores no futuro!
Existem algumas analogias que são comumente usadas para explicar isso: você pode pensar em galáxias como moedas coladas na superfície de um balão que está sendo inflado, ou como passas dentro de um pão que está sendo assado. Em ambos os casos, as próprias galáxias não se expandem, mas com o tempo, a distância entre elas sim.
Crédito da imagem: Eugenio Bianchi, Carlo Rovelli & Rocky Kolb, modificações por mim.
Mas você pode se preocupar com o que realmente está acontecendo com o próprio espaço em um Universo em expansão. Como você deve ter intuído, o espaço não está realmente ficando mais fino , esticado ou mais tênue em qualquer sentido real da palavra. Um balão esticado acabará por estourar, o pão tem um tamanho máximo ao qual pode fermentar e o espaço não tem esse limite . Além disso, não é como se o espaço de hoje tivesse propriedades intrínsecas diferentes do espaço de 10 bilhões de anos atrás, nem terá propriedades diferentes daqui a 10 bilhões de anos.
Uma imagem superior é aquela em que, à medida que o Universo se expande, mais e mais espaço simplesmente é criado entre essas estruturas fortemente ligadas gravitacionalmente.
Crédito da imagem: Large Synoptic Survey Telescope, NSF, DOE e AURA.
Isso não incomodaria a maioria de vocês se o espaço vazio fosse verdadeiramente vazio, no sentido de que não tinha nenhuma energia intrínseca nele. Mas isso é não o caso do espaço vazio no Universo em que vivemos!
Crédito da imagem: NASA / Goddard Space Flight Center.
Poderíamos ter vivido em um Universo que um dia entrará em colapso (curva laranja) sob sua própria gravidade, expandido para o infinito (curva azul) porque a gravitação foi insuficiente para desmoronar, ou (curva verde) patinou bem na fronteira entre os dois, onde a taxa de expansão cai para zero, assintoticamente, mas se houvesse mais um próton no Universo, ele teria desmoronado.
Mas nenhum desses é o nosso Universo; vivemos na curva vermelha, onde há uma intrínseca, positivo energia para o próprio espaço. Isso é o que energia escura na verdade é: a energia intrínseca ao espaço vazio. E neste momento, é responsável por mais de dois terços da energia total do Universo, uma proporção que só continuará a aumentar à medida que o Universo continuar a se expandir e mais espaço continuar a ser criado espontaneamente.
Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Ratazana .
Espere um minuto, eu ouço você objetar, se você está apenas criando espontaneamente mais espaço do nada, e espaço tem uma energia intrínseca , você não é violando a conservação de energia ?
É uma boa objeção. É uma objeção razoável. E não é um que eu vou abrir caminho para sair na tecnicidade que na Relatividade Geral, a energia não é uma quantidade tecnicamente bem definida. Porque mesmo que isso seja tecnicamente verdade, ainda temos uma boa intuição sobre a energia e seus diferentes tipos.
Crédito da imagem: Mark Garlick / Science Photo Library, recuperado do BBC Universe.
Sabemos que há energia potencial gravitacional, que nos diz o quão firmemente as coisas estão ligadas. Sabemos que existe energia cinética, que é a energia do movimento. E sabemos sobre energia nuclear, química, elétrica e muitas outras formas de energia.
Bem, há mais um que eu quero que você tenha em mente, e é um que você não pensa com muita frequência: trabalhar . Trabalho é a quantidade de energia realizada quando você aplica uma força a um objeto em movimento ao longo de uma distância, na mesma direção que a distância do objeto muda.
Crédito das imagens: Eric Harpell, obtido em lpc1.clpccd.cc.ca.us, modificado por mim.
O que isso significa - em um campo gravitacional - é que se você aplicar uma força para cima para um livro em movimento ascendente, você faz positivo trabalhar. (ou seja, você adicionar energia para o sistema.) Mas se você aplicar uma força para cima para um para baixo objeto em movimento, você faz negativo trabalhar. (ou seja, você remover energia do sistema.)
Em geral, quando você empurra o mesmo direção em que o livro está se movendo, você faz positivo trabalho, adicionando energia ao sistema, e quando você empurra o oposto direção, você faz negativo trabalhar.
Agora, vamos pensar no Universo. Você tem esse objeto semelhante a uma esfera se expandindo, e aí está você, isso densidade de energia constante ( ou seja, energia escura), e você preenche a esfera. Você é positivo energia. Você está gravitacionalmente puxar esta esfera em si mesma. Mas o que a esfera está fazendo?
Crédito da imagem: Take 27 LTD / Science Photo Library.
Seu Expandindo , e está se expandindo para fora . Em outras palavras, você está (gravitacionalmente) puxando para dentro, que é o direção oposta como a expansão, e então você está fazendo trabalho negativo !
Em outras palavras, sim, nós está criando mais espaço, e esse espaço faz tem uma energia intrínseca a ele. Mas, além das galáxias serem menos fortemente ligadas à medida que o espaço se expande, e além da radiação ser mais baixa em energia à medida que continua a ser desviada para o vermelho, o trabalho negativo feito pela energia-do-espaço existente à medida que o Universo se expande é Onde vem a energia extra para criar o novo espaço!
Crédito da imagem: ESA e a Colaboração Planck.
Se você quiser mergulhar nos detalhes técnicos, eu recomendo este artigo de 1992 por Carroll, Press and Turner , o que também deriva a razão pela qual a energia escura precisa ter uma pressão negativa para fazer tudo isso funcionar!
Então, se você está perguntando de onde vem a energia para essa energia escura, ela vem do trabalho negativo feito na expansão do Universo. E é por isso que a energia, se você optar por permitir que ela seja definida, pode ser conservada, mesmo em um Universo com energia escura!
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