Termodynamika vesmíru - Thermodynamics of the universe

tento článek vyžaduje pozornost odborníka na fyziku. Specifický problém je: Článek pojednává o celkové energii vesmíru a aplikuje první zákon termodynamiky na celý vesmír, což je nesprávné, jak je vysvětleno na diskusní stránce. Aby bylo možné tyto chyby opravit, musí být oprava opravena odborníkem. Fyzika WikiProject může pomoci s náborem odborníka. (Srpna 2017)

tento článek je sirotek, jako žádné další články odkaz na to. Prosím zavést odkazy na tuto stránku z související články; zkuste Najít odkaz nástroj pro návrhy. (Květen 2015)

Část série na
Fyzická kosmologie
Velký třesk  · Vesmír Věk vesmíru Chronologie vesmíru
Časný vesmír Planckova epocha Velká epocha sjednocení Elektroslabá epocha Epocha kvarku Hadronová epocha Leptonova epocha Fotonová epocha Nukleosyntéza velkého třesku Inflace Temné věky Stelliferous Era Pozadí Kosmické záření pozadí (CBR) Gravitační vlna pozadí (GWB) Kosmické mikrovlnné pozadí (CMB)  · Kosmické neutrinové pozadí (CNB) Kosmické infračervené pozadí (INB)
Expanze· Budoucnost Hubbleův zákon  · Rudý posuv Expanze vesmíru Urychlování rozpínání vesmíru Náročné a správné vzdálenosti FLRW metrický  · Friedmannovy rovnice Nehomogenní kosmologie Budoucnost rozpínajícího se vesmíru Konečný osud vesmíru Tepelná smrt vesmíru Big Rip Velká krize Big Bounce
Součásti· Struktura Součásti Model Lambda-CDM Baryonická hmota Exotická hmota Energie Negativní energie Energie nulového bodu Vakuová energie Záření Radiace na pozadí Temná energie Kvintesence Fantomová energie Temná hmota Studená temná hmota Teplá temná hmota Smíšená temná hmota Horká temná hmota Světlá temná hmota Samočinně působící temná hmota Skalární pole temné hmoty Tmavé záření Tmavá tekutina Zrcadlová hmota Struktura Tvar vesmíru Reionizace  · Tvorba struktury Tvorba galaxií Velkoplošná struktura Velká skupina kvasarů Galaxy vlákno Nadkupa Kupa galaxií Skupina galaxií Místní skupina Galaxie Halo temné hmoty Hvězdokupa Sluneční Soustava Planetární systém Neplatné
Experimenty Bumerang Průzkumník kosmického pozadí (COBE) Průzkum temné energie Euklid Projekt Illustris Hvězdárna Vera C. Rubina Planckova vesmírná observatoř Průzkum digitálního nebe Sloan (SDSS) Průzkum 2dF Galaxy Redshift („2dF“) Vesmír stroj Wilkinsonova mikrovlnná anizotropie Sonda (WMAP)
Vědci Aaronsone Alfvén Alpher Bharadwaj Copernicus de Sitter Dicke Eddington Ehlers Einstein Ellis Friedmann Galileo Gamow Guth Hubble Lemaître Linde Mather Newton Penzias Vtírat Schmidt Schwarzschild Smoot Starobinsky Steinhardt Suntzeff Sunyaev Tolman Wilson Zeldovich
Historie předmětu Objev kosmické mikrovlnné trouby záření na pozadí Historie teorie velkého třesku Náboženské interpretace teorie velkého třesku Časová osa kosmologických teorií
Kategorie  Astronomický portál

The termodynamika vesmíru je diktováno, která forma energie v ní dominuje - relativistické částice které se označují jako záření, nebo nerelativistické částice, které se označují jako hmota. První jsou částice, jejichž odpočinková hmota je nulová nebo zanedbatelná ve srovnání s jejich energií, a proto se pohybuje rychlostí světla nebo velmi blízko ní; druhé jsou částice, jejichž Kinetická energie je mnohem nižší než jejich odpočinková hmota a proto se pohybují mnohem pomaleji než rychlost světla. Střední případ není zacházeno dobře analyticky.

Hustota energie v rozpínajícím se vesmíru

Pokud se vesmír rozšiřuje adiabaticky, uspokojí první zákon termodynamiky:

${ displaystyle 0 = dQ = dU + PdV}$

kde ${ displaystyle Q}$ je celkové teplo, o kterém se předpokládá, že je konstantní, ${ displaystyle U}$ je vnitřní energie hmoty a záření ve vesmíru, ${ displaystyle P}$ je tlak a ${ displaystyle V}$ hlasitost.

Jeden pak najde rovnici pro hustota energie ${ displaystyle u equiv U / V}$a tak

${ displaystyle du = d left ({U over V} right) = {dU over V} -U {dV over V ^ {2}} = - (p + u) {dV over V} = -3 (p + u) {da over a}}$

kde v poslední rovnosti jsme použili skutečnost, že celkový objem vesmíru je úměrný ${ displaystyle a ^ {3}}$, ${ displaystyle a}$ být měřítko vesmíru.

Ve skutečnosti jde o nesprávnou derivaci, protože předpokládá, že tlak funguje jako ${ displaystyle a}$ zvyšuje. V průměrném vesmíru je však tlak všude stejný, a proto neexistuje žádná podtlaková oblast, proti které by tlak mohl fungovat. Výše uvedenou rovnici lze přímo získat z pohybových rovnic, kterými se řídí Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker metrika: dělením výše uvedené rovnice pomocí ${ displaystyle dt}$ a identifikace ${ displaystyle rho = u}$ (hustota energie), dostaneme jednu z FLRW pohybové rovnice.

V souřadnic souřadnic, ${ displaystyle u}$ se rovná hustota hmoty ${ displaystyle rho}$. Pro záření ${ displaystyle p = u / 3}$ zatímco pro hmotu ${ Displaystyle p ll u}$ a tlak lze zanedbávat. Tak dostaneme:

Pro záření${ displaystyle du = -4u {da over a}}$tím pádem ${ displaystyle u}$ je úměrný ${ displaystyle a ^ {- 4}}$

Pro hmotu${ displaystyle du = -3u {da over a}}$tím pádem ${ displaystyle u}$ je úměrný ${ displaystyle a ^ {- 3}}$

Lze to chápat takto: Pro hmotu hustota energie se rovná (v naší aproximaci) odpočinková hmota hustota. To je nepřímo úměrné objemu, a proto je úměrné ${ displaystyle a ^ {- 3}}$.Pro záření, hustota energie závisí na tom teplota ${ displaystyle T}$ a je tedy úměrná ${ displaystyle Ta ^ {- 3}}$. Jak se vesmír rozpíná, ochlazuje se ${ displaystyle T}$ záleží na ${ displaystyle a}$ také. Ve skutečnosti, protože energie a relativistická částice je nepřímo úměrná jeho vlnová délka, což je úměrné ${ displaystyle a}$, hustota energie z záření musí být úměrné ${ displaystyle a ^ {- 4}}$.

Z této diskuse je také zřejmé, že teplota záření je nepřímo úměrné měřítko ${ displaystyle a}$.

Rychlost expanze vesmíru

Připojením těchto informací k Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker pohybové rovnice a zanedbávání obou kosmologická konstanta ${ displaystyle Lambda}$ a parametr zakřivení ${ displaystyle k}$, což je oprávněné pro raný vesmír (${ displaystyle a ll 1}$), dostaneme následující rovnici:

${ displaystyle {{ dot {a}} ^ {2}} propto {a ^ {2}} rho}$

${ displaystyle rho = u}$ je hustota energie a člověk najde následující chování:

• Ve vesmíru ovládaném radiací: ${ displaystyle a propto t ^ {1/2}}$
• Ve vesmíru ovládaném hmotou: ${ displaystyle a propto t ^ {2/3}}$

Lze dále ukázat, že vesmír byl ovládán radiací, pokud hustota energie bylo řádově 10 eV na čtvrtý nebo vyšší. Protože hustota energie stále klesá, to už nebyla pravda, když byl vesmír starý 70 000 let, když to bylo se stala dominantní hmotou.

V dnešním vesmíru je hmota převážně ve formách galaxie a temná hmota, zatímco záření je kosmické mikrovlnné záření na pozadí, pozadí kosmického neutrina (pokud neutrino odpočinková hmota je dostatečně vysoká, pak je formálně hmota) a nakonec většinou ve formě temná energie.

Temná energie a kosmická inflace

Temná energie je hypotetická forma energie, která prostupuje celým prostorem a jeho podtlak se shoduje se zrychlením v rozpínání vesmíru. Pozitivní tlak shoduje se zpomalením stejně jako gravitace energie a hmoty. V základní fyzice není známa žádná příčina a následek, proto se nepředpokládá, že tlaky nebo gravitace „způsobí“ snížení nebo zrychlení v rozpínání vesmíru, ani naopak. Například energie v gravitačním poli vesmíru, která se shoduje s jeho expanzí, je stejná a opačná k hmotné energii vesmíru a nepředpokládá se (a rovnice to neznamenají), že expanze vytvořila pozitivní hmotnou energii a negativní gravitační energie, ani naopak.

Podle výše uvedené rovnice

${ displaystyle { dot {u}} = - 3 (p + u) { frac { dot {a}} {a}}}$

Čím je tedy tlak zápornější, tím menší je hustota energie, jak se vesmír rozpíná. Jinými slovy, Temná energie zředí méně než jakákoli jiná forma energie, a proto nakonec ovládne vesmír, protože všechny ostatní energetické hustoty se rozpínají rychleji s expanzí vesmíru.

Ve skutečnosti, pokud temná energie je vytvořen a kosmologická konstanta nebo konstanta skalární pole, pak je jeho tlak minus jeho hustota energie ${ displaystyle p = -u}$, a proto jeho hustota energie zůstává konstantní (jak se očekává z definice).

Temná energie se obvykle považuje za Casimirova energie z vakuum, s možnými příspěvky z hustoty energie skalární pole který má nenulovou hodnotu hodnota ve vakuu. Je možné, že se toto pole ve vzdálené budoucnosti někdy rozpadne, což povede k novému stav vakua, odlišné od toho, ve kterém žijeme. Toto je fázový přechod, Kde temná energie se snižuje a vyrábí se obrovské množství energie v konvenčních formách (tj. částice).

Ve skutečnosti se předpokládá, že k takovéto řadě událostí došlo již v raném vesmíru, kde první a kosmologická konstanta mnohem větší než ten současný, který ovládl vesmír kosmická inflace. Na konci této epochy, a fázový přechod došlo tam, kde kosmologická konstanta byla snížena na současnou hodnotu a bylo vyrobeno obrovské množství energie, ze které pocházelo veškeré záření a hmota raného vesmíru.

Viz také

• Fyzická kosmologie
• Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker metrika
• Temná energie
• Kosmická inflace
• Termodynamika
• První zákon termodynamiky