A energia é conservada quando os fótons mudam para o vermelho em nosso universo em expansão?
Quando uma fonte de luz se move em uma direção específica, a luz é deslocada para o azul ao longo da direção do movimento e para o vermelho contra a direção do movimento. Esse redshift Doppler é sobreposto e independente de qualquer redshift cosmológico devido à expansão do Universo. Se o Universo estivesse se contraindo, haveria um desvio cosmológico para o azul. (WIKIMEDIA COMMONS USUÁRIO BREWS OHARE)
Quando o Universo se expande, os fótons desviam para o vermelho para comprimentos de onda mais longos e energias mais baixas. Então, para onde vai essa energia?
Imagine a versão definitiva de um universo de brinquedo: está se expandindo, está cheio de material e, em meio a tudo isso, há um fóton — ou quantum de luz — que acompanhamos e proibimos de interagir com qualquer outra partícula. O fóton, a qualquer momento, terá todas as propriedades que você espera que um quantum de radiação eletromagnética tenha, incluindo uma direção de propagação, uma polarização para seus campos elétricos e magnéticos e um comprimento de onda que determina quanta energia é inerente a esse fóton. fóton.
Bem, à medida que os fótons viajam pelo Universo em expansão, eles experimentam os efeitos dessa expansão, que o estendem para comprimentos de onda mais longos. Comprimentos de onda mais longos implicam uma diminuição da energia, e uma diminuição na energia implica que a energia não é conservada ou que a energia deve ir para algum lugar. De qualquer forma, é um enorme quebra-cabeça cósmico.
Em um processo de emissão de luz como a combustão, a energia ainda é conservada. A luz e o calor são emitidos como subproduto da reação de combustão, mas se incluirmos toda a energia química armazenada nas ligações moleculares da madeira e o oxigênio da atmosfera, descobrimos que a energia é conservada entre os estados inicial e final. (USUÁRIO DA WIKIMEDIA COMMONS DARIO CRESPI)
Afinal, se há uma coisa que aprendemos sobre energia, é que ela não pode ser criada nem destruída. Quando você queima madeira para criar fogo, pode pensar que está criando energia. Mas o que está realmente acontecendo é muito mais sutil:
- As ligações moleculares estão sendo quebradas e reformadas, de uma configuração menos estável (madeira e oxigênio) para uma mais estável (cinzas e vapor d'água), liberando energia no processo.
- Se você observar a quantidade de energia liberada e usar a famosa conversão de Einstein, E = mc² , você realmente descobriria que havia uma pequena diferença de massa entre a massa do produto e as moléculas do reagente.
- Na verdade, a quantidade total de energia em todas as suas formas, incluindo a massa, permanece inalterada em todas as etapas da reação.
Este corte mostra as várias regiões da superfície e do interior do Sol, incluindo o núcleo, que é onde ocorre a fusão nuclear. Com o passar do tempo, a região que contém hélio no núcleo se expande e a temperatura máxima aumenta, fazendo com que a produção de energia do Sol aumente. Quando nosso Sol ficar sem combustível de hidrogênio no núcleo, ele se contrairá e aquecerá a um grau suficiente para que a fusão de hélio possa começar. (USUÁRIO DO WIKIMEDIA COMMONS KELVINSONG)
A diferença de massa é ainda mais pronunciada em algo como uma reação nuclear, como algo que ocorre no Sol. Na verdade, se você medisse a massa do Sol desde o seu nascimento até agora, descobriria que ele perdeu aproximadamente a massa de Saturno ao longo desses 4,5 bilhões de anos de emissão de energia.
Em todas as reações de conservação de energia que conhecemos, manter o controle de onde estão todas as fontes iniciais de energia e todas as fontes finais de energia é a parte difícil. Para um físico, este é apenas um problema de contabilidade: tão rico que quando alguns decaimentos radioativos (decaimentos beta) foram vistos como não conservando energia, postulamos uma nova partícula para manter a conservação de energia. Embora tenha demorado 26 anos desde a proposta de Pauli do neutrino até ser detectado, continua sendo uma prova do poder de conservação de energia.
Os dois tipos (radiativo e não radiativo) de decaimento beta de nêutrons. O decaimento beta, ao contrário do decaimento alfa ou gama, não conserva energia se você não conseguir detectar o neutrino, mas é sempre caracterizado por um nêutron se convertendo em um neutrino de próton, elétron e antielétron, com a possibilidade de irradiar energia em outras formas de conservação de energia e momento (como através de um fóton) também. (ZINA DERETSKY, FUNDAÇÃO NACIONAL DE CIÊNCIAS)
Mas às vezes, as coisas parecem perder energia e nada parece ganhar energia (ou massa) para compensar. Esse é o caso do Universo em expansão. Veja, uma das novidades que vieram junto com a teoria da Relatividade Geral de Einstein foi a noção de que o próprio espaço é mutável, em vez de uma grade de coordenadas fixa na qual tudo vive. O Universo pode e deve se curvar dependendo da quantidade e configuração de matéria e energia em seu interior, e o tecido do Universo também pode se expandir ou contrair.
O problema, porém, é que qualquer fóton – ou partícula de luz – tem sua energia definida por seu comprimento de onda. E se o tecido do Universo se estica (à medida que se expande) ou encolhe (à medida que se contrai), o comprimento de onda dessa luz e, portanto, sua energia, também muda.
À medida que o tecido do Universo se expande, os comprimentos de onda de qualquer radiação presente também são esticados. Isso faz com que o Universo se torne menos energético, e faz com que muitos processos de alta energia que ocorrem espontaneamente nos primeiros tempos sejam impossíveis em épocas mais frias e posteriores. São necessários centenas de milhares de anos para que o Universo esfrie o suficiente para que os átomos neutros possam se formar, e bilhões de anos antes que a densidade da matéria caia abaixo da densidade de energia escura. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)
Isso deve incomodá-lo! Afinal, pensamos que a energia deve ser conservada em todo e qualquer processo físico que ocorre no Universo. A Relatividade Geral oferece uma possível violação da conservação de energia?
A resposta assustadora é sim, na verdade. É eminentemente possível que, em escala global no Universo, a energia não seja conservada. Existem muitas grandezas que a Relatividade Geral faz um trabalho excelente e preciso de definição, e energia não é uma delas. Se você tem um Universo em expansão, o Universo muda com o tempo; se o seu universo não é invariável às traduções do tempo, então não há regra que afirma que a energia deve ser conservada.
Em outras palavras, não há nenhuma exigência de que a energia deva ser conservada a partir das equações de Einstein; a energia nem mesmo é definida em um Universo em expansão!
Dentro de um recipiente fechado, as moléculas de gás se moverão com uma velocidade particular cuja distribuição depende de fatores como o peso molecular e a temperatura do gás. Estatisticamente, as velocidades médias podem ser calculadas, mas a velocidade individual de qualquer partícula será caótica. (USUÁRIO DO WIKIMEDIA COMMONS GREG L (A. GREG))
Mas isso não significa que não podemos chegar a uma definição para isso; significa simplesmente que temos que ser cuidadosos.
Uma boa analogia é pensar em gás. O que acontece quando você adiciona energia (calor) a esse gás? As moléculas dentro se movem mais rápido à medida que ganham energia, o que significa que aumentam sua velocidade e se espalham para ocupar mais espaço mais rapidamente.
Mas o que acontece, em vez disso, se você aquecer o gás que está dentro de um recipiente?
Os efeitos do aumento da temperatura de um gás dentro de um recipiente. A pressão externa pode resultar em um aumento de volume, onde as moléculas internas trabalham nas paredes do recipiente. (BLOG DE CIÊNCIAS DE BEN BORLAND (BENNY B)))
Sim, as moléculas aquecem, se movem mais rápido e tentam se espalhar, mas, neste caso, muitas vezes colidem com as paredes do recipiente, criando uma pressão positiva extra nas paredes. As paredes do recipiente são empurradas para fora, o que custa energia: a energia deve vir das moléculas que estão realizando trabalho sobre ele.
Isso é muito, muito análogo ao que acontece no Universo em expansão. Os fótons têm uma energia, dada por um comprimento de onda, e à medida que o Universo se expande, esse comprimento de onda do fóton é esticado. Claro, os fótons estão perdendo energia, mas há trabalho sendo feito no próprio Universo por tudo com uma pressão positiva externa dentro dele!
A rigor, como mencionamos anteriormente, a energia não é definida para o próprio Universo na Relatividade Geral. Mas se pegássemos o próprio tecido do Universo e o fizéssemos se contrair, o que aconteceria com os fótons dentro dele? Um Universo em contração faria trabalho nos fótons (em vez do contrário) e faria com que eles ganhassem energia.
Quanta energia? Exatamente tanto quanto eles perderam quando o Universo se expandiu.
Depois que os átomos do Universo se tornam neutros, não apenas os fótons param de se espalhar, tudo o que eles fazem é o desvio para o vermelho sujeito ao espaço-tempo em expansão em que existem, diluindo à medida que o Universo se expande enquanto perde energia à medida que seu comprimento de onda continua a mudar para o vermelho. Embora possamos inventar uma definição de energia que a mantenha conservada, isso é artificial e não robusto. A energia não é conservada em um Universo em expansão. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)
Então, sim, é realmente verdade: à medida que o Universo se expande, os fótons perdem energia. Mas isso não significa que a energia não seja conservada; significa que a energia vai para a própria expansão do Universo, na forma de trabalho. E se o Universo reverter a expansão e se contrair novamente, esse trabalho será feito ao contrário e voltará para os fótons internos.
É possível que em uma teoria da gravidade mais completa (ou seja, quântica) , uma definição mais rígida de energia surgirá e poderemos ver realmente se ela é ou não conservada. Mas na ausência de uma definição estrita, tudo o que podemos fazer é usar o que temos para trabalhar, e essas são as ferramentas e definições que já temos. Sim, os fótons perdem energia, mas essa energia não desaparece para sempre; a quantidade de perda de energia (ou ganho, para esse assunto) soma exatamente o que deveria no Universo em expansão (ou contração).
Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .
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