[Перевод] Спросите Итана №60: почему энергия исчезает из Вселенной?

Фоновое космическое излучение во Вселенной когда-то поджаривало всё вокруг, но теперь оно почти приблизилось к абсолютному нулю. Куда делась вся энергия?

Думаю, что самое крутое, что можно сделать – исчезнуть на время, потому что это даст вам шанс появиться заново.
— Джош Майкл Хомме

Если подумать, Большой взрыв – одна из самых сложных абстракций, которые можно представить. Конечно, сейчас Вселенная расширяется, а значит, раньше всё было ближе друг к другу и Вселенная была плотнее. Но она была ещё и горячее, поэтому частицы в ней обладали большей энергией по сравнению с сегодняшним днём, когда они уже более «холодные». На этой неделе побеждает вопрос Барри Пэрдо, который спрашивает:

Насколько я понимаю, космическое микроволновое фоновое излучение (КМФИ) постепенно охлаждается с расширением Вселенной, и что частицы КМФИ с красным смещением переходят на увеличивающиеся длины волн и уменьшающиеся уровни энергии. Но куда уходит энергия этих частиц?

Давайте разберёмся и поймём, почему этот вопрос такой глубокий.

Легко понять, как падает плотность по мере расширения Вселенной, и как – если она вдруг начнёт сжиматься – её плотность начнёт расти. Ведь плотность, это всего лишь количество вещества в определённом районе пространства: массовая плотность – это масса на объём, количественная плотность – это количество на объём, и энергетическая плотность – это энергия на объём.

В случае материи – атомов, газа, планет, звёзд, галактик, даже тёмной материи – можно интуитивно связать это с пространством-временем, которое со временем меняется. Если пространство-время расширяется, плотность падает, если сжимается – растёт.

Неправильно думать, что Большой взрыв похож на бомбу, взорвавшуюся в пустом пространстве, где в центре взрыва давление было большое, а снаружи – малое.
На самом деле «взорвалось» всё пространство, у взрыва не было центра, и плотность и давление повсюду были одинаковыми. Поэтому разницы давления, которая привела бы к взрыву, просто не существовало.

Это всё происходит из-за изменения объёма. Масса остаётся той же самой, количество частиц остаётся тем же самым, как и количество энергии. В расширяющейся Вселенной, заполненной веществом, плотность меняется, поскольку Вселенная расширяется.

Но во Вселенной, заполненной излучением – фотонами или частицами света в нашем случае – изменение объёма Вселенной приводит к кое-каким неожиданным последствиям.

Вы привыкли считать частицы частицами, точками в пространстве. Вы считаете их сущностями без размера, поэтому, когда Вселенная расширяется (или сжимается, хотя этого не происходит), частицы остаются теми же самыми. Но фотоны ведут себя не так.

Фотон – не только частица (хотя она способна сталкиваться и взаимодействовать на манер частиц), но она ведёт себя и как электромагнитная волна. И одна из самых главных основополагающих характеристик волны – длина, которая в случае фотона определяет его энергию.

Чем длиннее волна, тем меньше энергия, а чем короче волна – тем энергии больше. Сейчас, во Вселенной сегодняшнего размера, типичный фотон, оставшийся с ранних стадий развития Вселенной, обладает энергией, соответствующей температуре в 2,725 К. Преобразовать её в длину волны можно при помощи набора констант – Больцмана, Планка и скорости света. Тогда мы обнаружим, что длина волны будет равной 5,28 мм, то бишь, примерно равной длине белой части ногтя, когда её пора срезать.

В метре поместится около 189 таких длин волн. Но в прошлом, из-за расширения Вселенной, каждый метр межгалактического пространства был меньше!

Но это не значит, что в том же пространстве поместилось бы меньше волн. Количественная плотность на единицу объёма остаётся постоянной. Так что же тогда происходит? Вы могли бы уместить 189 волн этого света на такой дистанции, которая расширилась до сегодняшнего метра!

• Когда Вселенная была вполовину меньше сегодняшнего размера? 189 волн в половине метра, или длина волны в 2,64 мм
• Когда Вселенная была размером 10% от сегодняшнего размера? 189 волн в дециметре, или длина волны в 528 микрон
• Когда Вселенная была размером 0,01% от сегодняшнего размера? 189 волн в одной десятой доле миллиметра, или длина волны в 528 нанометров – видимый свет! (жёлто-зелёного цвета)

Чем дальше вернёмся назад – во времена, когда Вселенная была меньше – тем больше энергии содержалось в излучении. Наблюдаемое сегодня излучение, оставшееся после Большого взрыва, пришло к нам с тех времён, когда формировались первые нейтральные атомы: космическая поверхность последнего рассеяния.

КМФИ, поверхность последнего рассеяния – аналог света, проходящего через облака и попадающего в наш глаз. Мы можем видеть только поверхность облаков, от которой свет отразился в последний раз.

И это объясняет, почему было такое время, когда не было нейтральных атомов (откуда КМФИ было испущено), когда не было ядер атомов (поскольку они разбивались на части — а сразу после этого настал момент, когда были синтезированы легчайшие элементы Вселенной), когда протоны и нейтроны разбивались на части в кварк-глюонную плазму, и ещё раньше, когда всё было таким горячим, что пары частиц материя-антиматерия спонтанно создавались из невероятно высокоэнергетических гамма-лучей, наводнявших Вселенную.

Это также объясняет, почему остаточное излучение выглядит так сильно сдвинутым в микроволновую часть спектра. Это простые предсказания, вытекающие из физических законов и концепции Большого взрыва.

Но это может вызывать у вас те же вопросы, что и у Барри. Разве энергия не сохраняется? И если сегодня её уровень низок, не означает ли это, что она потеряна, и следовательно, не сохранилась? (Строго говоря, в ОТО нет определения энергии – но мы не будем использовать это в целях ухода от ответа).

Энергия излучения не пропала; давайте рассмотрим аналогию. Представьте, что у вас есть шарик, который вы надули и завязали, и в надутом состоянии он находится в равновесии с окружающей средой. Можно измерить количество энергии, находящейся в воздухе, содержащемся внутри шара, и удовлетвориться этим.

Теперь поступим с ним жёстко, и опустим его в жидкий азот при температуре 77 К. Азот высосет тепло из молекул воздуха (и шара), и объём шара упадёт.

Но это ещё не все. Здесь работает ещё один принцип: молекулы оказывали давление на стенки шара, не дававшее ему сколлапсировать внутрь, а когда они потеряли энергию, оказываемой ими силы оказалось недостаточно, и шар начал сжиматься. Если вытащить шарик из азота, и дать воздуху нагреть его, он приобретёт энергию и снова надует шарик, надавив на стенки изнутри.

Идея приложения силы в определённом направлении, когда нечто двигается в этом, или в противоположном направлении, описывает физическую концепцию работы. Если вы давите наружу, а нечто двигается внутрь – вы совершаете отрицательную работу, забирая энергию из системы. Если вы давите наружу, и оно движется наружу, вы совершаете положительную работу, добавляя энергию в систему. Вот, что такое надувание шарика – возможно, простейший пример этой комбинации из силы, расстояния и работы.

В случае Вселенной, фотоны работают, как воздух внутри шара: они давят наружу, пока Вселенная расширяется, и совершают положительную работу. Фотоны теряют энергию, но энергия переходит в саму Вселенную, причём обратимым способом! Иначе говоря, если Вселенная будет сжиматься или даже реколлапсирует, энергия, добавленная в неё фотонами, вернётся к ним обратно.

Так значит, куда девается энергия фотонов в расширяющейся Вселенной? Энергия фотонов совершает работу, передавая её самой Вселенной.

Спасибо за прекрасный вопрос, Барри, и надеюсь, что объяснение было сделано понятно для вас и для остальных. Присылайте мне ваши вопросы и предложения для следующих статей.