Ethan Siegel

Colaborador Sênior

Começa com um estrondo

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14 de agosto de 2019,02:00 EDT

Este artigo tem mais de 3 anos.

Quando uma fonte de luz se move em uma determinada direção, a luz é deslocada para o azul ao longo da direção … [+]

USUÁRIO DO WIKIMEDIA COMMONS BREWS OHARE

Imagine a versão definitiva de um universo de brinquedo: ele está se expandindo, está cheio de material e, através de tudo, há um fóton ⁠— ou quantum de luz ⁠— que monitoramos e proibimos de interagir com qualquer outra partícula. O fóton, a qualquer momento, terá todas as propriedades que você espera que um quantum de radiação eletromagnética tenha, incluindo uma direção de propagação, uma polarização para seus campos elétrico e magnético e um comprimento de onda que determina quanta energia é inerente a esse fóton. fóton.

Bem, à medida que os fótons viajam pelo Universo em expansão, eles experimentam os efeitos dessa expansão, que os estendem para comprimentos de onda mais longos. Comprimentos de onda mais longos implicam uma diminuição da energia, e uma diminuição na energia implica que a energia não é conservada ou que a energia deve ir para algum lugar. De qualquer maneira, é um enorme quebra-cabeça cósmico.

Em um processo de emissão de luz como a combustão, a energia ainda é conservada. Luz e calor são emitidos como … [+]

USUÁRIO DO WIKIMEDIA COMMONS DARIO CRESPI

PROMOVIDO

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Afinal, se há algo que aprendemos sobre energia é que ela não pode ser criada nem destruída. Quando você queima madeira para criar fogo, pode pensar que está criando energia. Mas o que realmente está acontecendo é muito mais sutil:

• As ligações moleculares vão sendo quebradas e reformadas, passando de uma configuração menos estável (madeira e oxigênio) para uma mais estável (cinzas e vapor d’água), liberando energia no processo.
• Se você olhasse para a quantidade de energia liberada e usasse a famosa conversão de Einstein,  E = mc ² , descobriria que havia uma diferença de massa muito, muito pequena entre a massa do produto e as moléculas do reagente.
• Na verdade, a quantidade total de energia em todas as suas formas, incluindo a massa, permanece inalterada em todas as etapas da reação.

Este corte mostra as várias regiões da superfície e interior do Sol, incluindo o … [+]

KELVINSONG, USUÁRIO DO WIKIMEDIA COMMONS

A diferença de massa é ainda mais pronunciada em algo como uma reação nuclear, como algo que ocorre no Sol. Na verdade, se você medir a massa do Sol desde o seu nascimento até agora, descobrirá que ele perdeu aproximadamente a massa de Saturno nesses 4,5 bilhões de anos de emissão de energia.

Em todas as reações de conservação de energia que conhecemos, acompanhar onde estão todas as fontes iniciais de energia e todas as fontes finais de energia é a parte mais difícil. Para um físico, este é apenas um problema de contabilidade: tão rico que quando alguns decaimentos radioativos (decaimentos beta) não conservam energia, postulamos uma nova partícula para manter a conservação de energia. Embora tenha demorado 26 anos desde a proposta de Pauli do neutrino até que ele fosse detectado, continua sendo uma prova do poder da conservação de energia.

Os dois tipos (radiativo e não radiativo) de decaimento beta de nêutrons. Decaimento beta, em oposição ao alfa … [+]

ZINA DERETSKY, FUNDAÇÃO NACIONAL DE CIÊNCIAS

Mas, às vezes, as coisas parecem perder energia e nada parece ganhar energia (ou massa) para compensar. É o caso do Universo em expansão. Veja bem, uma das coisas novas que veio junto com a teoria da Relatividade Geral de Einstein foi a noção de que o próprio espaço é mutável, em vez de uma “grade” de coordenadas fixas na qual tudo vive. O Universo pode e deve se curvar dependendo da quantidade e configuração de matéria e energia dentro, e o tecido do Universo também pode se expandir ou contrair.

O problema, porém, é que qualquer fóton  – ou partícula de luz  – tem sua energia definida por seu comprimento de onda. E se o tecido do Universo se estica (à medida que se expande) ou encolhe (à medida que se contrai), o comprimento de onda dessa luz e, portanto, sua energia, também muda.

À medida que o tecido do Universo se expande, os comprimentos de onda de qualquer radiação presente são esticados como … [+]

E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA

Isso deve incomodá-lo! Afinal, pensamos que a energia deve ser conservada em todo e qualquer processo físico que ocorra no Universo. A Relatividade Geral oferece uma possível violação da conservação de energia?

A resposta assustadora é sim, na verdade. É eminentemente possível que, em escala global no Universo, a energia não seja conservada. Existem muitas quantidades que a Relatividade Geral faz um trabalho excelente e preciso de definição, e a energia não é uma delas. Se você tem um Universo em expansão, o Universo muda com o tempo; se o seu Universo não é invariável para translações de tempo, então não há regra que estabeleça que a energia deva ser conservada.

Em outras palavras, não há nenhum mandato de que a energia deva ser conservada a partir das equações de Einstein; a energia nem sequer é definida em um Universo em expansão!

Dentro de um recipiente fechado, as moléculas de gás se moverão com uma velocidade particular cuja … [+]

USUÁRIO DO WIKIMEDIA COMMONS GREG L (A. GREG)

Mas isso não significa que não possamos encontrar uma definição para isso; significa simplesmente que temos de ser cuidadosos.

Uma boa analogia é pensar no gás. O que acontece quando você adiciona energia (calor) a esse gás? As moléculas internas se movem mais rapidamente à medida que ganham energia, o que significa que aumentam sua velocidade e se espalham para ocupar mais espaço mais rapidamente.

Mas o que acontece, em vez disso, se você aquecer o gás contido em um recipiente?

Os efeitos do aumento da temperatura de um gás dentro de um recipiente. A pressão externa pode … [+]

BLOG DE CIÊNCIAS DE BEN BORLAND (BENNY B)

Sim, as moléculas esquentam, se movem mais rápido e tentam se espalhar, mas, neste caso, muitas vezes esbarram nas paredes do recipiente, criando uma pressão positiva extra nas paredes. As paredes do recipiente são empurradas para fora, o que custa energia: a energia deve vir das moléculas que estão realizando trabalho sobre ele.

Isso é muito, muito análogo ao que acontece no Universo em expansão. Os fótons têm uma energia, dada por um comprimento de onda, e à medida que o Universo se expande, esse comprimento de onda do fóton é esticado. Claro, os fótons estão perdendo energia, mas há um trabalho sendo feito no próprio Universo por tudo com uma pressão externa e positiva dentro dele!

A rigor, como mencionamos anteriormente, a energia não é definida para o próprio Universo na Relatividade Geral. Mas se pegássemos o próprio tecido do Universo e o fizéssemos contrair, o que aconteceria com os fótons dentro dele? Um Universo em contração faria trabalho sobre os fótons (em vez do contrário) e faria com que eles ganhassem energia.

Quanta energia? Exatamente tanto quanto eles perderam quando o Universo se expandiu.

Depois que os átomos do Universo se tornam neutros, os fótons não apenas param de se espalhar, mas tudo o que eles fazem é … [+]

E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA

Então sim, é verdade: à medida que o Universo se expande, os fótons perdem energia. Mas isso não significa que a energia não seja conservada; significa que a energia vai para a própria expansão do Universo, na forma de trabalho. E se o Universo reverter a expansão e contrair novamente, esse trabalho será feito ao contrário e voltará para os fótons internos.

É possível que em uma teoria mais completa (ou seja, quântica) da gravidade , surja uma definição mais estrita de energia, e seremos capazes de ver verdadeiramente se ela é ou não conservada. Mas na ausência de uma definição estrita, tudo o que podemos fazer é usar o que temos para trabalhar, e essas são as ferramentas e definições que já temos. Sim, os fótons perdem energia, mas essa energia não desaparece para sempre; a quantidade de perda de energia (ou ganho, nesse caso) soma exatamente o que deveria no Universo em expansão (ou contração).

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Eu sou um Ph.D. astrofísico, autor e comunicador de ciência, que professa física e astronomia em várias faculdades. Eu ganhei vários… consulte Mais informação