Сколько фотонной энергии уже уничтожено?

В школе нас учат, что энергию нельзя ни создать, ни уничтожить. Закон сохранения энергии подтверждается многими процессами. Это невероятно точное предположение для повседневной жизни.

Когда мы изучаем физику в университете, нас учат «мелкому шрифту», исключениям из правил. Например, в космологии мы узнаем, что Вселенная в целом расширяется. Расширение влияет на длину волны фотонов: длина волны растягивается (в то время как c остается постоянным), что означает, что фотоны теряют энергию. Ничего. Энергия просто ушла. Экспериментальным доказательством является космический микроволновый фон (CMB), который смещен в красную сторону до спектра черного тела 2,7K.

Если мы оценим количество первоначально произведенных фотонов реликтового излучения и их энергию (1 эВ?), вычтем энергию фотона, наблюдаемую сегодня, то сколько энергии фотона было потеряно во время расширения Вселенной (в джоулях)? Значительно ли это количество, скажем, более 1% от общей массы адронов?

Я хотел бы дать развернутый ответ на эту часть: "фотоны теряют энергию. Ни к чему". - это не верно. Их длина волны не растянута расширением Вселенной, просто мы движемся с очень высокой скоростью относительно излучателя этого фотона. Когда мы взаимодействуем с фотоном, то, что неудивительно, мы обнаруживаем, что он может выделять меньше энергии, чем если бы мы не двигались относительно излучателя, и все находится в полном соответствии со специальной теорией относительности (которая сохраняет энергию).
@Kostas Но я слышал, что в GR энергия не сохраняется. Почему вы хотите сосредоточиться исключительно на SR вместо, скажем, GR?
«эта энергия не может быть ни создана, ни уничтожена» это верно для энергии, которая включает кинетическую энергию + потенциальную энергию во всех ее формах. При включении специальной теории относительности, где энергия является частью четырех векторов, определяемых здесь: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Relativ/vec4.html

Ответы (4)

Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо сделать несколько предположений:

Вселенная может быть, а может и не быть бесконечной. Поэтому имеет смысл ответить на ваш вопрос, рассматривая только наблюдаемую Вселенную. Но наблюдаемая Вселенная увеличивается в размерах не только за счет расширения (которое не добавляет и не удаляет фотонов), но и потому, что до нас доходит свет из все более и более удаленных областей. В сопутствующих координатах — т. е. координатах, которые расширяются с пространством — наблюдаемая Вселенная увеличилась в линейном размере в 50 раз с тех пор, поэтому сопутствующий объем и, следовательно, общее количество фотонов увеличилось в раз. > 10 5 .

Другими словами, новые фотоны постоянно входят в нашу наблюдаемую Вселенную, и они делают это быстрее, чем отдельные фотоны теряют энергию .

Более того, большая часть фотонов не была создана при испускании реликтового излучения — они существовали с момента окончания инфляции, рассеиваясь вокруг на свободных электронах, пока не были «высвобождены» в эпоху расцепления/рекомбинации. Я обращусь к этому в конце своего ответа.

Я знаю, что это не совсем то, что вы имели в виду, поэтому, чтобы быть точным, я сравню общее количество энергии в наблюдаемой Вселенной сегодня с тем же пространством, когда было испущено реликтовое излучение.

Каждый с м 3 пространства занимает примерно н п час = 411 фотонов реликтового излучения . Есть также фотоны, возникающие в результате различных астрофизических процессов (в основном звездообразования и эмиссии пыли), но их число меньше более чем на два порядка, а энергия меньше по крайней мере на один порядок, а возможно, и больше (Хилл и др . 2018 ), так что давайте их проигнорируем.

При температуре CMB Т 0 "=" 2,718 К ( Planck Collaboration et al. 2016 ), средняя энергия фотона реликтового излучения равна Е п час , н о ж "=" к Б Т 0 "=" 2.3 × 10 − 4 е В . Поскольку они видны с красным смещением г ≃ 1100 , каждый фотон потерял энергию на один и тот же коэффициент. С радиусом р "=" 46,3 г л у р Вселенной, общее количество потерянной энергии равно

Δ Е "=" Е т о т , т час е н − Е т о т , н о ж "=" ( Е п час , т час е н − Е п час , н о ж ) × Н п час , т о т "=" ( ( 1 + г ) Е п час , н о ж − Е п час , н о ж ) × н п час × 4 π 3 р 3 ≃ ( 1 + г ) Е п час , н о ж − Е п час , н о ж × н п час × 4 π 3 р 3 ≃ 4 × 10 88 е В ≃ 6 × 10 76 е р г ≃ 6 × 10 69 Дж ,
где первое приближение признает тот факт, что плотностью энергии сегодня можно пренебречь по сравнению с плотностью энергии, когда испускались фотоны.

Если вы хотите узнать, сколько энергии потеряли эти фотоны с тех пор, как они были первоначально созданы, в конце инфляции, вы просто используете красное смещение, соответствующее этой эпохе — примерно г ∼ 10 26 . В этом случае вы получаете некоторое 10 93 Дж .

Это очень странно, я читал, что наблюдаемая Вселенная на самом деле сжимается из-за ускоренного расширения Вселенной и что в далеком будущем мы не сможем увидеть больше пары звезд (если Земля останется неподвижной, то есть). Википедия (с указанием источника) утверждает, что примерно через 100–150 миллиардов лет «расширение Вселенной приведет к тому, что все галактики за пределами бывшей Местной группы Млечного Пути исчезнут за горизонтом космического света, удалив их из наблюдаемой Вселенной». Таким образом, Вселенная может стать намного больше, но мы сможем видеть все меньше и меньше.
@thermoмагнитныйконденсатныйбосон В статье на Вики смешиваются два разных горизонта. Он цитирует Loeb 2011, но я не могу (при беглом просмотре) найти, где именно. Галактики покидают наш горизонт событий , который является самой дальней точкой (в настоящее время ~16,5 Глир), из которой может излучаться сигнал и доходить до нас до бесконечности. Но наблюдаемая Вселенная ограничена горизонтом частиц (в настоящее время 46,3 Глир), который всегда увеличивается в размерах, как потому, что Вселенная расширяется, так и потому, что до нас будет доходить свет из все более и более удаленных областей. [продолжение ниже]
Но этот свет излучался в прошлом; свет, излучаемый сегодня откуда-то дальше, чем 16,5 Глир, никогда не достигает нас. Однако в некотором смысле галактики «удалены из нашей наблюдаемой Вселенной», а именно потому, что их свет будет смещен в красную сторону ниже предела обнаружения. Но это "практический" вопрос.
Эй, почему мой ответ заминусовали?
Из-за моей тупости пела. Я хочу удалить свой отрицательный голос, но система еще глупее, и я не могу, если вы не отредактируете свой ответ. Если бы вы могли добавить где-нибудь запятую или что-то в этом роде, я бы проголосовал за вас.
@thermoмагнитныйконденсатныйбосон Ха-ха, ладно, я так и сделаю :)
@thermoмагнитныйконденсатныйбосон Я отредактировал, чтобы использовать среднюю энергию, а не пиковую энергию, что более правильно (но не сильно меняет результат).
:) От -1 до +1 от меня :) Спасибо, пела.

добавить Вы бы спросили: "Сколько энергии электронов уже уничтожено?" Энергия не может быть уничтожена, она распределяется согласно кинематике, взаимодействиям и инерциальным системам отсчета.

«Длина» четырех вектора энергии-импульса определяется выражением

п ⋅ п "=" Е 2 − ( п с ) 2 "=" м 0 с 2

Фотон, имея нулевую массу, имеет энергию Е "=" п с . Так как также Е "=" час ν очевидно, что изменения импульса инерциальной системы отсчета фотона, впервые появившегося, должны будут измениться ν как час - постоянная Планка. Это согласуется с доплеровским сдвигом, ожидаемым математикой для световых волн, как показано здесь :

ν о б с е р в е г "=" [ 1 − в 2 с 2 1 − в с ] ν с о ты р с е
который можно преобразовать в форму
ν о б с е р в е г "=" ν с о ты р с е 1 + в с 1 − в с
или в общепринятой нотации относительности:
ν о б с е р в е г "=" ν с о ты р с е 1 + β 1 − β

Здесь v — относительная скорость источника и наблюдателя, и v считается положительной, когда источник приближается.

и ν частота света.

Именно изменение известных спектров конкретных атомов показывает, как движение различных инерциальных систем отсчета изменяет частоту.

Ты говоришь:

Расширение влияет на длину волны фотонов: длина волны растягивается (в то время как c остается постоянной), что означает, что фотоны теряют энергию.

Давайте проясним, у фотона нет длины волны в пространстве-времени. Только квантово-механическая волновая функция вероятности. Меняются световые волны, возникающие в результате слияния миллионов фотонов, имеющих длину волны в пространстве и времени.

Перейдем к простому примеру

Если вы катите мяч в гору (без трения по льду), он теряет энергию, не так ли? Куда уходит его энергия? На самом деле в движении земли назад, но земля так велика, что ее никогда не измерить.

Это похоже на потерю энергии фотонами, за исключением того, что это проявляется в частоте возникающей волны , а не в скорости фотона, которая всегда равна c. Это видно по спектрам в соответствии с движением звезды, от которой они исходят, если она удаляется от нас, спектры уходят в инфракрасный диапазон, и исправлена ​​ошибка нарушения при движении к нам. Энергетические балансы идут с движением источников. В космических фотонах именно расширение пространства может объяснить микроволновый фон, и это то, что считается правильным в современной модели космоса, теории Большого Взрыва.

Фотоны создают световую волну, частотный спектр которой связан с энергией фотона. Когда фотон частицы теряет энергию, частота света становится инфракрасной. Два разных кадра.

не могли бы вы пояснить, что «фотон не имеет длины волны в пространстве-времени». Что ты имеешь в виду?
Когда вы катите мяч в гору, он получает потенциальную энергию, верно? Вы даете ему кинетическую энергию, и эта энергия преобразуется. Он не теряет энергию. Получает энергию.
@JThomas Да, вы правы, я неправильно выразился. В конце концов, это расширение, далекое от каждой точки. На самом деле проснулась с мыслью исправить, а потом забыла (возраст меня догоняет), спасибо
@ ÁrpádSzendrei Я говорю о том, что для квантово-механических объектов длина волны видна в распределении вероятностей, которое можно измерить только путем обнаружения множества фотонов с одинаковой энергией. Индивидуальный фотон является точечной частицей в (x, y, z, t) согласно стандартной модели.

Представьте себе классическую световую волну. У него есть начало и конец. Начало и конец движутся со скоростью света.

Представьте, что пространство растянуто.

Вся волна имеет столько же энергии, сколько и раньше, но теперь она длиннее. Он растягивается на большее расстояние. В любом месте энергии стало меньше, но вся волна не потеряла ее.

Но классическая картина нарушается, когда фотон поглощается, что является точечным событием в пространстве-времени. Измеренная энергия эмпирически меньше и была потеряна.
Это два несовместимых взгляда на это. Если кванты поглощаются атомом всякий раз, когда волновое состояние в этом атоме дает «ключ», чтобы открыть этот «замок», тогда волна может продолжаться, за вычетом той части кванта, которая была поглощена этим атомом. Если вы требуете, чтобы квант, поглощаемый одним атомом, был таким же квантом, который излучал другой атом, то это не работает. Но зачем это предполагать?
Если два описания содержат разные утверждения, то одно из них неверно. Мир квантовый по своей природе, а не классический.
Если два описания дают разные предсказания, то одно из них неверно. Взаимодействие излучения с атомами носит квантовый характер: большая часть излучения поглощается и немедленно повторно излучается, а квантовые количества поглощаются или излучаются позже. Я не могу говорить за классическую физику, но уверены ли вы, что квантовые описания — единственный возможный способ описать движение излучения в пространстве, а также поглощение и испускание излучения свободными электронами?

Расширение влияет на длину волны фотонов: длина волны растягивается (в то время как c остается постоянным), что означает, что фотоны теряют энергию.

Нет, они НЕ . Величина красного смещения, связанного с расширением Вселенной, определяется как:

г "=" а   т / а   т 0 − 1
где а — космический масштабный фактор . Таким образом, чтобы получить красное смещение космического расширения, нам нужно сравнить коэффициент масштабирования Вселенной в разные эпохи! Это означает сравнение разных фотонов, прибывающих из галактик, находящихся на разном расстоянии от нас!

Даже если вы имели в виду не космологическое красное смещение, а обычный эффект Доплера - все равно фотон излучается из источника с энергией час ν с той же энергией приходит к наблюдателю. Разница в энергии возникает только тогда, когда мы сравниваем фотоны, достигающие нас от движущихся объектов с разными радиальными скоростями по отношению к нам. Так что все же это сравнение фотонов из разных источников или из разных эпох. Одиночный фотон он такой, какой он есть — без каких-либо изменений.

РЕДАКТИРОВАТЬ

После долгого обсуждения с @pela я остаюсь при своем мнении. Если это разные фотоны, технически это не потеря энергии. Только один фотон имеет энергию час ( ν 0 + Δ ν 1 ) а у другого есть час ( ν 0 + Δ ν 2 ) , из-за разных настроек (расстояние, пройденное расширяющимся пространством) между этими двумя!

РЕДАКТИРОВАТЬ @safesphere

Энергии излучения и поглощения измеряются в разных системах отсчета, «приводящих» к «потерям энергии». Если вы измеряете оба в одном и том же кадре, энергия сохраняется. В кадре приемника фотоны испускаются уже с красным смещением. В кадре излучателя фотоны никогда не смещаются в красную сторону.

Хорошая точка зрения!

Фотоны действительно теряют энергию при космологическом красном смещении.
Вы ошибаетесь - одиночный фотон не испытывает космологического красного смещения. Когда мы сравниваем фотоны разных эпох - только тогда, когда мы можем выделить космологическое красное смещение. Но это не означает, что фотон теряет энергию. Просто фотоны, прилетевшие из других галактик, будут иметь красное смещение по сравнению с длиной волны фотонов нашего Солнца . Но это не означает, что фотоны галактики теряют энергию — они не
Одиночные фотоны испытывают космологическое красное смещение. Они излучались с некоторой энергией, а позже наблюдаются с меньшей энергией. Итак, энергия потеряна. Это не спорно, это просто следствие отсутствия временной симметрии в расширении Вселенной.
Откуда вы знаете, что сначала они излучались с большей энергией? Например, в эффекте Доплера в направлении движения фотон испускается из источника с синим смещением мгновенно , а не просто принимает синее смещение у наблюдателя. Кроме того, зачем тогда нам нужно сравнивать пару вселенских коэффициентов масштаба из разных эпох Вселенной, чтобы извлечь космологическое красное смещение? Т.е. объяснить, что моя данная формула
Потому что мы почти уверены, что физические процессы в далекой галактике такие же, как здесь, на Земле. Атом водорода, распадающийся из своего первого возбужденного состояния, испускает в лаборатории фотон с λ=1216 Å, поэтому мы предполагаем, что атом водорода в далекой галактике излучает фотон с той же длиной волны. Но если мы наблюдаем его при λ=2432 Å, мы знаем, что он смещен в красную сторону в 2 раза (т.е. z=1). Сравнение масштабного коэффициента происходит от распространения луча света, идущего по нулевой геодезической в ​​метрике FLRW, описывающей расширение (например, Watson 2000 ).
Конечно, это красное смещение, вопрос в том , как и когда именно оно смещено в красную сторону? В простом Doppler_effect звуковые волны сжимаются перед автомобилем мгновенно , а не только тогда, когда вы их слышите. Поэтому я подумал, что световое излучение действует так же. Или это другое?
Нет, космологическое красное смещение другое. Бывает по пути. Наблюдатель на полпути между излучателем и нами увидит меньшее красное смещение, чем мы (не ровно половину красного смещения, так как это зависит от истории расширения Вселенной ).
Наблюдатель, находящийся на полпути, увидит, что один и тот же фотон смещается иначе, чем если бы он поймал тот же фотон на земле? Здесь мы говорим об одном и том же фотоне — не забывайте об этом!
Да, конечно, не один и тот же фотон, но если два фотона излучаются одним и тем же процессом, и один наблюдается нами, а другой — наблюдателем на полпути…
Тогда, если это разные фотоны, технически это не потеря энергии. Просто один фотон имеет другую энергию по сравнению с другим час ( ν + Δ ν с час я ф т ) , из-за разных настроек (пройденного расстояния) между этими двумя !
«Космическую потерю энергии» можно легко проверить на Земле. Скажем, я вижу, что вы начинаете вести машину со скоростью 50 миль в час относительно меня. У вашего автомобиля много кинетической энергии. Затем вы измеряете скорость своего автомобиля как ноль относительно вас. Ваш автомобиль имеет нулевую энергию. OMG - энергия была потеряна!!! ;) То же и в космологии. Энергии излучения и поглощения измеряются в разных системах отсчета, что приводит к «потерям энергии». Если вы измеряете оба в одном и том же кадре, энергия сохраняется. В кадре приемника фотоны испускаются уже с красным смещением. В кадре излучателя фотоны никогда не смещаются в красную сторону.
Сколько фотонной энергии уже уничтожено?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v