An níos faide ar shiúl a fhéachaimid, an níos dlúithe in am a fheicimid i dtreo an Bang Mór. Tagann an sealbhóir taifead is déanaí le haghaidh quasars ó am nuair nach raibh na Cruinne ach 690 milliún bliain d’aois. Taispeánann na tóireadóirí cosmeolaíochta ultra-i bhfad i gcéin Cruinne dúinn ina bhfuil ábhar dorcha agus fuinneamh dorcha, ach ní mhíníonn siad cá as a dtagann an fuinneamh sin. (JINYI YANG, OLLSCOIL ARIZONA; REIDAR HAHN, FERMILAB; M. NEWHOUSE NOAO / AURA / NSF)

Fiafraigh de Ethan: Cá as a dtagann an ‘fuinneamh’ le haghaidh fuinneamh dorcha?

B’fhéidir nach gcaomhnaítear fuinneamh ar chor ar bith i Cruinne atá ag leathnú.

Má tá Cruinne agat atá lán de rudaí - bíodh sé sin adamh, ábhar dorcha, radaíocht, neodrónna, nó aon rud eile - tá sé beagnach dodhéanta é a choinneáil statach. Caithfidh creatlach do Cruinne, i Relativity Ginearálta ar a laghad, leathnú nó conradh a dhéanamh ar na scálaí is mó. Ach má tá Cruinne agat atá lán le fuinneamh dorcha, mar is cosúil linn, tarlaíonn rud éigin níos buartha fós: méadaíonn méid iomlán an fhuinnimh atá inár Cruinne inbhraite le himeacht ama, gan aon deireadh leis. Nach sáraíonn sé seo caomhnú fuinnimh? Sin an rud ba mhaith le David Ventura a fháil amach, mar a iarrann sé:

[T] tá fuinneamh iomlán na cruinne ag méadú sa chaoi is go gcoinnítear an fuinneamh is gné dhílis den spás-am seasmhach de réir mar a leathnaíonn na cruinne. Tá sé cosúil, chun ciliméadar ciúbach breise de spás-am a thógáil, teastaíonn an quanta fuinnimh seo uait. Níl níos mó agus níos lú. Caithfidh an fuinneamh seo teacht ó áit éigin. I ngach rud eile atá ar eolas agam, ní féidir le fuinneamh (lena n-áirítear ábhar trí E = mc²) a bheith le feiceáil ó áit ar bith. Mar sin caithfidh rud éigin a bheith ag tabhairt fuinnimh isteach inár Cruinne le go mbeidh sé ag leathnú. […] An stopfaidh sé choíche?

Tá an fhírinne eolaíoch iarbhír faoina bhfuil ar siúl i bhfad níos buartha ná mar a shamhlófá.

Freagraíonn fait ionchais na Cruinne (na trí léaráid is fearr) le Cruinne ina dtroidann an t-ábhar agus an fuinneamh i gcoinne an ráta leathnaithe tosaigh. Inár Cruinne a breathnaíodh, luasghéarú cosmaí de bharr cineál éigin fuinnimh dorcha, atá gan mhíniú go dtí seo. Tá na hOllscoileanna seo go léir faoi rialú ag cothromóidí Friedmann, a bhaineann le leathnú na Cruinne leis na cineálacha éagsúla ábhair agus fuinnimh atá ann. (E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY)

Inár Cruinne fisiceach, tá dhá rud atá nasctha le chéile go dlúth: ráta leathnaithe na Cruinne agus miondealú na gcineálacha éagsúla fuinnimh atá ann. Is é riail phríomhúil na Gaolmhaireachta Ginearálta go n-insíonn an t-ábhar sin spás conas cuar a dhéanamh, agus insíonn spás cuartha ábhar conas bogadh. Tá sé seo fíor, ach níl sé iomlán. Ní ábhar amháin é ach fuinneamh freisin a théann i bhfeidhm ar chuaire an spáis, agus ní cuaire amháin é ach freisin ráta leathnaithe (nó crapadh) an spáis a mbíonn tionchar air. Go háirithe, is é an dlús fuinnimh a chinneann an ráta leathnaithe.

Ach tá cineálacha éagsúla fuinnimh sa Cruinne, agus tá róil beagán difriúla acu uile maidir leis an gcaoi a n-athraíonn an ráta leathnaithe le himeacht ama.

Cé go n-éiríonn ábhar agus radaíocht chomh dlúth de réir mar a leathnaíonn na Cruinne mar gheall ar a méid méadaitheach, is cineál fuinnimh é fuinneamh dorcha is gné dhílis den spás féin. De réir mar a chruthaítear spás nua sa Cruinne atá ag leathnú, fanann an dlús fuinnimh dorcha seasmhach. (E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY)

Maidir le rud éigin cosúil le gnáthábhar, tá a ranníocaíochtaí fuinnimh iomasach i ndáiríre. Déantar ábhar de cháithníní a bhfuil mais iontu, agus fiú de réir mar a athraíonn an Cruinne, fanann na cáithníní aonair féin mar an gcéanna. Le himeacht ama, méadaíonn méid na Cruinne, agus mar a dhéanann sé, titeann dlús iomlán an ábhair. Is í an dlús mais thar toirt: fanann an mhais mar an gcéanna, méadaíonn an toirt, agus mar sin téann an dlús síos. Dá mba rud é go raibh gach rud againn sa Cruinne, thitfeadh an ráta leathnaithe de réir mar a thit dlús an ábhair.

De réir mar a leathnaíonn creatlach na Cruinne, síneofar tonnfhaid aon radaíochta atá i láthair freisin. Fágann sé sin nach mbíonn an Cruinne chomh fuinniúil, agus go bhfuil sé dodhéanta go leor próiseas ardfhuinnimh a tharlaíonn go spontáineach go luath ag na heochracha níos fuaire ina dhiaidh sin. (E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY)

Maidir le radaíocht, tá comhpháirt bhreise ann. Cinnte, déantar radaíocht de cháithníní freisin, agus de réir mar a leathnaíonn an toirt, laghdaíonn dlús líon na gcáithníní sin díreach mar a dhéanann sé don ábhar. Ach tá tonnfhad ag radaíocht, agus síneann an Cruinne leathnaithe an tonnfhad sin. Ciallaíonn tonnfhaid níos faide fuinneamh níos ísle, agus mar sin titeann an ráta leathnaithe níos gasta i Cruinne atá líonta le radaíocht ná i gceann atá líonta le hábhar.

Ach maidir le Cruinne atá lán le fuinneamh dorcha, tá an scéal an-difriúil. Is é fuinneamh dorcha is cúis le fuinneamh is gné dhílis de chreatlach an spáis féin, agus de réir mar a leathnaíonn na Cruinne, is é an dlús fuinnimh - an toirt fuinnimh in aghaidh an aonaid - a fhanann seasmhach. Mar thoradh air sin, féachfaidh Cruinne atá líonta le fuinneamh dorcha go mbeidh a ráta leathnaithe seasmhach, seachas titim ar chor ar bith.

Comhpháirteanna éagsúla de dhlús fuinnimh na Cruinne agus a chuireann leis, agus cathain a d’fhéadfadh tionchar an-mhór a bheith acu. Dá mbeadh teaghráin chosmaí nó ballaí fearainn ann ar aon mhéid suntasach, chuirfidís go mór le leathnú na Cruinne. D’fhéadfadh fiú comhpháirteanna breise a bheith ann nach bhfeicimid a thuilleadh, nó nach bhfuil le feiceáil go fóill! Tabhair faoi deara go bhfuil fuinneamh dorcha chun tosaigh faoin am a shroicheann muid inniu, go bhfuil ábhar fós tábhachtach, ach go bhfuil radaíocht neamhbhríoch. San am atá caite i bhfad i gcéin, ní raibh ach radaíocht tábhachtach. (E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY)

"Fan ort," d'fhéadfá agóid a dhéanamh, ag smaoineamh, "Shíl mé go ndúirt tú go raibh leathnú na Cruinne ag luasghéarú?"

Tá pointe an-tábhachtach anseo nach gcuirtear béim go leor air: tá dhá rud éagsúla a mbíonn eolaithe ag caint fúthu maidir le leathnú na Cruinne. Is é ceann ráta leathnaithe - nó ráta Hubble - na Cruinne. Iompraíonn sé seo go díreach mar a thuairiscigh muid thuas: titeann sé ar ábhar, titeann sé níos gasta don radaíocht, agus astaíonn sé go tairiseach dearfach don fhuinneamh dorcha. Ach is é an dara rud ná cé chomh tapa agus a dhealraíonn sé go bhfaigheann réaltra aonair uainn le himeacht ama.

Léaráid ar an gcaoi a n-oibríonn athdhíriú sa Cruinne atá ag leathnú. De réir mar a théann réaltra i bhfad i gcéin, caithfidh sé taisteal níos faide agus ar feadh tréimhse níos mó tríd an Cruinne atá ag leathnú. I Cruinne faoi cheannas fuinneamh dorcha, ciallaíonn sé seo go mbeidh an chuma ar réaltraí aonair dlús a chur lena gcúlú uainn. (LARRY MCNISH IONAD RÁTHAÍOCHTA RASC)

De réir mar a théann an t-am ar aghaidh, éiríonn réaltra níos faide agus níos faide uainn. Ós rud é gur fad luas in aghaidh an aonaid an ráta leathnaithe (m.sh., 70 km / s / Mpc), is cosúil go n-éireoidh réaltra atá níos faide i gcéin (abair, 100 Mpc vs. 10 Mpc) ag luas níos gasta (7,000 km / s vs 700 km / s). Má líontar do Cruinne le hábhar nó le radaíocht, titeann an ráta leathnaithe níos gasta ná mar a mhéadaíonn fad do réaltra, agus mar sin tiocfaidh laghdú ar luas an chúlaithe le himeacht ama: beidh do Cruinne ag luasmhoilliú. Má tá fuinneamh dorcha faoi smacht ag do Cruinne, áfach, méadóidh luas glan an chúlaithe le himeacht ama: tá do Cruinne ag luasghéarú.

Tá ár Cruinne, inniu, déanta as fuinneamh dorcha thart ar 68%. Ag tosú ag thart ar 6 billiún bliain ó shin, rinne ár Cruinne athrú go luasghéarú ó luasmhoilliú, bunaithe ar chothromaíocht na rudaí éagsúla go léir atá ann.

An tábhacht choibhneasta a bhaineann le comhpháirteanna fuinnimh éagsúla sa Cruinne ag amanna éagsúla san am atá thart. Tabhair faoi deara, nuair a shroicheann fuinneamh dorcha uimhir gar do 100% sa todhchaí, go bhfanfaidh dlús fuinnimh na Cruinne (agus, dá bhrí sin, an ráta leathnaithe) seasmhach go treallach i bhfad chun tosaigh in am. (E. SIEGEL)

Ach conas atá sé seo ceart go leor? Dealraíonn sé nach gcaomhnaíonn Cruinne atá lán le fuinneamh dorcha fuinneamh. Má fhanann an dlús fuinnimh - fuinneamh-in aghaidh an aonaid-toirte - seasmhach, ach go bhfuil méid na Cruinne ag méadú, nach gciallaíonn sé sin go bhfuil méid iomlán an fhuinnimh sa Cruinne ag méadú? Agus nach sáraíonn sé sin caomhnú fuinnimh?

Ba chóir go gcuirfeadh sé seo isteach ort! Tar éis an tsaoil, is dóigh linn gur cheart fuinneamh a chaomhnú in aon phróisis fhisiciúla agus uile a tharlaíonn sa Cruinne. An dtugann an Relativity Ginearálta sárú féideartha ar chaomhnú fuinnimh?

Dá mbeadh am spáis statach agat nach raibh ag athrú, ráthófaí caomhnú fuinnimh. Ach má athraíonn creatlach an spáis de réir mar a ghluaiseann na rudaí a bhfuil suim agat iontu, níl dlí caomhnaithe fuinnimh ann a thuilleadh faoi dhlíthe na Gaolmhaireachta Ginearálta. (DAVID CHAMPION, MAX PLANCK INSTITUTE FOR RADIO ASTRONOMY)

Is é an freagra scanrúil b’fhéidir, i ndáiríre. Tá go leor cainníochtaí ann a dhéanann Relativity Ginearálta jab sármhaith beacht a shainiú, agus níl fuinneamh ar cheann acu. Is é sin le rá, níl aon sainordú ann go gcaithfear fuinneamh a chaomhnú ó chothromóidí Einstein; ní shainítear “fuinneamh” domhanda ag Gaolmhaireacht Ghinearálta ar chor ar bith! Déanta na fírinne, is féidir linn ráiteas an-ghinearálta a dhéanamh maidir le cathain a chaomhnaítear agus nach gcaomhnaítear fuinneamh. Nuair a bhíonn cáithníní agat ag idirghníomhú i gcúlra statach ag am spáis, caomhnaítear fuinneamh go fírinneach. Ach nuair a bhíonn an spás trína mbogann cáithníní ag athrú, ní dhéantar fuinneamh iomlán na gcáithníní sin a chaomhnú. Tá sé seo fíor i gcás fótóin ag athdhíriú i Cruinne atá ag leathnú, agus tá sé fíor i gcás Cruinne a bhfuil fuinneamh dorcha faoi smacht aici.

Ach ní hé an freagra sin, cé go bhfuil sé ceart go teicniúil, deireadh an scéil. Is féidir linn teacht ar shainmhíniú nua ar fhuinneamh nuair a bheidh an spás ag athrú; ach caithfimid a bheith cúramach nuair a dhéanaimid.

Tá bealach an-chliste ann chun breathnú ar “fhuinneamh” a ligeann dúinn a thaispeáint, i ndáiríre, go ndéantar fuinneamh a chaomhnú fiú amháin sa chás seo atá cosúil go paradóideach. Ba mhaith liom go gcuimhneofá, chomh maith le fuinneamh ceimiceach, leictreach, teirmeach, cinéiteach agus féideartha, i measc nithe eile, go bhfuil obair ann freisin. Is í an obair, san fhisic, nuair a chuireann tú fórsa i bhfeidhm ar réad sa treo céanna leis an bhfad a ghluaiseann sé; cuireann sé seo fuinneamh leis an gcóras. Má tá an treo os coinne, déanann tú obair dhiúltach; déanann sé seo fuinneamh a dhealú ón gcóras.

De réir mar a ghluaiseann móilíní nó adamh aonair taobh istigh de choimeádán dúnta, cuireann siad brú amach ar bhallaí an choimeádáin. De réir mar a théiteann tú an gás, bogann na móilíní níos gasta, agus méadaíonn an brú. (Úsáideoir Wikimedia commons Greg L (A. Greg))

Is analaí maith é smaoineamh ar ghás. Cad a tharlóidh má théiteann tú suas (cuir fuinneamh leis) an gás sin? Gluaiseann na móilíní istigh níos gasta de réir mar a ghnóthaíonn siad fuinneamh, rud a chiallaíonn go méadaíonn siad a luas, agus leathnaíonn siad amach chun níos mó spáis a thógáil níos gasta.

Ach cad a tharlóidh, ina ionad sin, má théiteann tú gás atá iata i gcoimeádán?

Sea, téann na móilíní suas, bogann siad níos gasta, agus déanann siad iarracht scaipeadh amach, ach sa chás seo, is minic a ritheann siad isteach i mballaí an choimeádáin, ag cruthú brú dearfach breise ar na ballaí. Tá ballaí an choimeádáin brúite amach, rud a chosnaíonn fuinneamh: tá na móilíní ag déanamh oibre air!

Na héifeachtaí a bhaineann le teocht an gháis a mhéadú taobh istigh de choimeádán. D’fhéadfadh méadú ar an toirt a bheith mar thoradh ar an mbrú amach, áit a n-oibríonn na móilíní istigh ar bhallaí an choimeádáin. (BLOG EOLAÍOCHTA BEN BORLAND (BENNY B'S))

Tá sé seo an-chosúil leis an méid a tharlaíonn sa Cruinne atá ag leathnú. Dá líonfaí do Cruinne le radaíocht (fótóin), bheadh ​​fuinneamh ag gach chandamach, arna thabhairt ag tonnfhad, agus de réir mar a leathnaíonn an Cruinne, síneofar an tonnfhad fótóin sin. Cinnte, tá fuinneamh á chailliúint ag na fótóin, ach tá obair á déanamh ar na Cruinne féin ag gach rud a bhfuil brú istigh ann!

Os a choinne sin, dá líonfaí do Cruinne le fuinneamh dorcha, ní amháin go bhfuil dlús fuinnimh ann, ach brú freisin. Is é an difríocht mhór, áfach, ná go bhfuil an brú ó fhuinneamh dorcha diúltach, rud a chiallaíonn go bhfuil a mhalairt de chás againn maidir le radaíocht. De réir mar a leathnaíonn ballaí an choimeádáin, tá obair á déanamh acu ar fhabraic an spáis féin!

De réir coinbhinsiúin, táimid cleachtaithe le rudaí ag leathnú toisc go bhfuil brú dearfach (amach) ag teacht ón taobh istigh díobh. Is é an rud frithchúiteach faoi fhuinneamh dorcha ná go bhfuil brú den chomhartha contrártha air, ach fós is cúis le leathnú creatlach an spáis.

Mar sin cén áit a dtagann an fuinneamh le haghaidh fuinneamh dorcha? Tagann sé ón obair dhiúltach a rinneadh ar leathnú na Cruinne féin. Scríobh Carroll, Press, agus Turner páipéar i 1992, a dhéileáil leis an gceist chruinn seo. Istigh ann, deir siad:

… Déanann an paiste obair dhiúltach ar a thimpeallacht, toisc go bhfuil brú diúltach air. Má ghlactar leis go leathnaíonn an paiste go héadrom, féadfaidh duine an obair dhiúltach seo a chomhionannú le méadú mais / fuinnimh an phaiste. Mar sin aisghabhann ceann amháin an chothromóid cheart stáit le haghaidh fuinneamh dorcha: P = - ρc². Mar sin tá an mhatamaitic comhsheasmhach.

Rud eile, arís, ní chiallaíonn sin go gcaomhnaítear fuinneamh. Ní thugann sé ach bealach cliste dúinn chun breathnú ar an bhfadhb seo.

Tá sraith mhór fianaise eolaíoch ann a thacaíonn le pictiúr na Cruinne atá ag leathnú agus an Bang Mór, iomlán le fuinneamh dorcha. Ní chaomhnaíonn an leathnú luathaithe déanach-ama fuinneamh go docht, ach tá an réasúnaíocht taobh thiar de sin suimiúil freisin. (NASA / GSFC)

Tá sé seo ar cheann de na ceisteanna cosmeolaíochta is doimhne a chuir mé riamh ar Ask Ethan. Is iad seo a leanas an dá mhór beir leat beir leat:

  1. Nuair a bhíonn cáithníní ag idirghníomhú in am spáis gan athrú, caithfear fuinneamh a chaomhnú. Nuair a athraíonn an spás-am, ní bhíonn an dlí caomhnaithe sin ann a thuilleadh.
  2. Má athshainíonn tú fuinneamh chun an obair a dhéantar, idir dhearfach agus dhiúltach, a chur san áireamh le paiste spáis ar a thimpeallacht, is féidir leat caomhnú fuinnimh a shábháil i Cruinne atá ag leathnú. Tá sé seo fíor i gcás cainníochtaí brú dearfacha (cosúil le fótóin) agus cinn brú diúltach (cosúil le fuinneamh dorcha).

Ach níl an t-athshainiú seo láidir; níl ann ach athshainiú matamaiticiúil is féidir linn a úsáid chun iallach a chur ar fhuinneamh a chaomhnú. Is í fírinne an scéil nach ndéantar fuinneamh a chaomhnú i Cruinne atá ag leathnú. B’fhéidir i dteoiric chandamach domhantarraingthe, go mbeidh. Ach i Relativity Ginearálta, níl aon bhealach maith againn chun é a shainiú ar chor ar bith.

Seol isteach do chuid ceisteanna Iarr ar Ethan chuig startwithabang ag gmail dot com!

Tá Starts With A Bang ar Forbes anois, agus athfhoilsithe ar Meán a bhuíochas lenár lucht tacaíochta Patreon. Tá dhá leabhar ag Ethan, Beyond The Galaxy, agus Treknology: The Science of Star Trek ó Tricorders go Warp Drive.