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宇宙在大爆炸后不会出现哪个现象(宇宙大爆炸时的能量)

导语:大爆炸后宇宙一直在冷却,那失去的能量去哪了?

能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只会从一种形式转化为另一种形式!——热力学第一定律

宇宙大爆炸是我们思维中最难理解的抽象概念。今天的宇宙正在膨胀,这就意味着在过去,物质之间的距离更近,密度更大,温度更高,其中的辐射粒子(主要说光子)也更具有能量!而今天宇宙只比绝对零度高了不到3K,这也是微波背景辐射的平均温度。那么问题来了:曾经那么炽热的高温辐射,能量都去哪了?

我们知道,随着宇宙的膨胀,微波背景辐射慢慢的冷却了下来,微波辐射的光子密度在下降,而且光子正在向更长的波长和更低的能量移动。那么失去的能量去了哪里?

膨胀的宇宙,物质密度在下降,但能量守恒

随着空间的膨胀,物质密度会下降,如果空间再次收缩,密度又会开始上升,这一点很好理解!密度就是在给定的空间区域内所拥有的物质数量;质量密度是每体积所包含的质量,数量密度是每体积的数量,而能量密度是每体积的能量。

对于物质,比如原子、气体、行星、恒星和星系,甚至是暗物质,把它们放在随时间演化的时空中,如果时空膨胀,密度就会下降,如果时空收缩,密度就会上升。

而物质密度、包括能量密度的变化都是因为空间体积在变化。但总质量保持不变,粒子数不变,总能量也保持不变。在充满物质膨胀的宇宙中,密度会发生变化,这只是因为宇宙在膨胀。这没有任何问题,也没有能量(质量)无缘无故的消失。

但是,在一个同样充满辐射的宇宙中,光子不仅密度会下降,而且宇宙体积的变化会发生一件意想不到的事。

空间的膨胀,导致了光的波长变长,失去了能量

光子不仅是粒子(可以像粒子一样相互碰撞和作用),它还表现为电磁波。更最重要的,定义波的特征之一就是它的波长,对于光子来说,波长决定了光子的能量。

波长越长,能量越少,波长越短,能量就越多。现在以宇宙目前的大小来说,一个光子从宇宙最初阶段开始,到现在遗留下来的能量相当于绝对零度以上的2.725开尔文。我们可以根据这个温度使用一些基本常数的组合(玻尔兹曼的常数,普朗克常数和光的速度)算出一个光子的波长,结果就是我们发现这个波长大约是5.28毫米,或者说是你的指甲上半月痕的长度。

我们知道宇宙的膨胀可以拉伸光的波长,那么在过去更小的空间内意味着:

当宇宙只有今天一半大小的时候,辐射光子的波长为2.64毫米。当宇宙的大小是今天的10%的时候,光子波长528微米。宇宙的大小只有今天的0.01% ,波长为528纳米,属于可见光波段!

回到越遥远的过去(宇宙年龄更小的时候)辐射的能量就越高。我们今天从大爆炸看到的微波辐射来自于中性原子形成的时期,也称为最后散射的宇宙表面。

这就解释了为什么宇宙在过去没有中性原子(微波背景辐射发出的地方),没有原子核(因为原子核也会被高能辐射电离),连质子和中子也会被高温分离成夸克-胶子等离子体,甚至在更早的时候,宇宙中充满了高能伽马射线,两个光子会自发地产生奇异的物质-反物质对。

这也解释了为什么今天剩余的辐射会一直向微波波段移动。这些都是来自大爆炸模型的简单、基本预测。

那么膨胀的宇宙中,光子失去的能量去了哪里?

如果今天的辐射能量更低,就会产生一个困扰。不是说能量守恒吗?如果现在能量变少了,那不就意味着能量已经随着空间膨胀损失掉了,因此不再守恒了吗?(其实严格说来,在广义相对论中,没有能量的定义,但我们也不需要用这样的借口来逃避这个问题。)

这种辐射能量并不像我们想象的那样“消失了”;下面我们来做一个类比。想象一个气球,我们把它吹大,然后把口绑起来,气球充满了气,并且和周围的环境保持平衡。我可以测量整个气球系统中空气的总能量。

然后我们将气球浸入77k的液氮中。液氮会直接从气球中的空气分子中吸收热量,气球的体积就会下降。

这是因为空气分子对气球施加了一个向外的力,使气球壁不向内塌缩,当空气失去能量时,施加的向外的力就会不足,气球壁向内移动。现在,我们把气球从液氮中拿出来,气球内的空气就会在周围的空气中重新获得能量,同时向外施加足够的力,把气球壁推开撑圆。

现在我们在说一些做功的概念!当一个物体朝某个方向或相反方向运动时,我们向某个方向给物体施加一个力,所产生的有效距离就是我们对这个物体所做的功,这就是做功的物理概念。当物体向内运动时,我们向外推,力和运动方向相反做的就是负功,也就是说我们把能量从系统中带走了。当物体向外运动时,我们向外推,力的方向和运动方向相同做的就是正功,也就是说我们给系统增加了能量。结合上面的气球失去能量变憋、获得能量变圆,这就是力、距离、做功最简单的例子。

总结:宇宙微波辐射失去的能量转移到了宇宙本身

在膨胀的宇宙中,光子的作用就像气球里的空气:光子向外推,而宇宙向外膨胀,光子对宇宙做了正功。光子也就失去了能量,但能量以完全可逆的方式转移到了宇宙本身!换句话说,如果宇宙重新收缩,光子注入宇宙的能量将直接返回到了光子。

那么现在来回答这个问题!在膨胀的宇宙中光子的能量去了哪里?答案是:来自光子的能量给宇宙的膨胀做了正功,并将其传递到宇宙本身。对宇宙整体来说,能量依旧是守恒的。

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