Istoria universului. credit: NASA / CXC / M. Weiss

Altfel spus, întrebarea este: chiar se conservă energia în universul nostru, unul dominat de energie întunecată? Pentru că unul dintre lucrurile pe care le învățăm în școală este că energia se transformă, dar nu se pierde, deci se conservă.



Este dificil de definit energia într-o formă care să fie ușor inteligibilă. Sunt multe tipuri de energie pe care le menționează cărțile de fizică:
- energia cinetică (un obiect care se deplasează are o energie cinetică, a mișcării).
- energia potențială (energia pe care o are o bilă aruncată în aer, odată ajunsă la înălțimea maximă, gata să cadă; această energie se transformă în energie cinetică odată începută căderea).
- energia termică.
- energia chimică (energia unei baterii, care se transformă, ca urmare a unor reacții chimice, în energie electrică)
- energia electrică (care ne asigură iluminatul locuințelor și funcționarea electronicelor) șamd.

O încercare de a defini energia este următoarea: energia este o mărime care indică capacitatea unui sistem fizic de a efectua lucru mecanic când trece printr-o transformare din starea sa într-o altă stare aleasă ca stare de referință.


Universul este în expansiune, iar constituentul principal este energia întunecată

Pentru cei care intră rar pe site-ul nostru s-ar putea să fie o surpriză să afle că știința modernă estimează că universul este alcătuit în proporție de 68% din energie întunecată. Energia întunecată este o substanță misterioasă, cu efect anti-gravitațional, care are un rol determinant în accelerarea universului și despre care, cu excepția efectelor majore asupra universului, nu se știe mare lucru).






Universul se află, așadar, în expansiune, ceea ce înseamnă că distanțele dintre structurile cosmice mari se măresc cu fiecare clipă, dar și că densitatea materiei scade.

Pe măsură ce densitatea universului scade, ca urmare a expansiunii, energia întunecată este noua forță destinată pentru a domina universul. La 7,8 miliarde de ani după Big Bang, galaxiile se opresc din procesul de încetinire, ca urmare a influenţei gravitaţionale reciproce, şi încep să accelereze. La 9,2 miliarde de ani după Big Bang energia întunecată devine componenta dominantă a energiei universului. Acesta este momentul în care intrăm în ultima eră a universului.
Citește mai multe despre fazele evoluției universului aici.




Trei forme de energie

Sunt trei forme de energie în univers, fiecare cu rolul său în modul în care rata expansiunii universului se schimbă: materia, radiația și energia întunecată.

Materia. Materia este alcătuită din particule ce au masă. Chiar dacă universul se extinde, particulele rămân la fel. Cum volumul universului crește, înseamnă că densitatea de materie scade. Dacă universul ar conține doar materie normală, rata expansiunii ar scădea, pe măsură ce densitatea materiei scade.

Radiația. Radiația este și ea formată din particule, dar aceasta are lungime de undă, iar lungimea de undă crește pe măsură ce universul se extinde. Creșterea lungimii de undă înseamnă, în fapt, energie mai mică. Rata de expansiune a universului scade mai repede într-un univers care conține doar radiație.

Energia întunecată. Cum spuneam, universul este format de energie întunecată în proporție de 68%. Energia întunecată este cauza accelerării expansiunii universului. Densitatea de energie a spațiului în sine va rămâne constantă, cu toată expansiunea universului, dat fiind că densitatea energiei întunecate rămâne aceeași pe unitate de volum de spațiu, întrucât energia întunecată este o proprietate intrinsecă a spațiului.



Pe măsură ce materia normală și radiația devin din ce în ce mai puțin dense și pe măsură ce universul devine din ce în ce mai mai mare, energia întunecată, care este o proprietate a spațiu-timpului, păstrează aceeași densitate pe unitate de spațiu.
Credit: E. Siegel / Beyond the Galaxy

 

De unde-și ia energia, în fapt, energia întunecată?

Dacă ați citit cu atenție paragraful dinainte de imaginea de mai sus, probabil că ați observat o afirmație bizară: densitatea energiei întunecate rămâne constantă. Așadar, deși spațiul se extinde, cantitatea de energie, pe fiecare segment de spațiu, rămâne aceeași. Cum e posibil? 

Probabil este prematur să răspundem la această întrebare, dat fiind că știm atât de puțin despre energia întunecată. Într-o lucrare din 1992 pe acest subiect se oferă o explicație, care sună cam așa: „un segment din spațiu efectuează lucru mecanic negativ asupra zonei din vecinătatea sa, pentru că exercită o presiune negativă. Presupunând că vorbim despre o expansiune adiabată, putem afirma că lucrul mecanic negativ coincide cu o creștere a masei/energiei segmentului de spațiu”. (…the patch does negative work on its surroundings, because it has negative pressure. Assuming the patch expands adiabatically, one may equate this negative work to the increase of mass/energy of the patch.)


Este principiul conservării energiei valid într-un univers aflat în expansiune?


Dacă luăm în calcul tot ce am spus mai sus - pare că un univers dominat de energie întunecată nu respectă principiul conservării energiei. Dacă densitatea de energie pe unitate de volum spațial rămâne constantă, iar universul este în expansiune, atunci devine evident că, în fapt, cantitatea totală de energie a universului este în continuă creștere.

Interesant este că teoria relativității generale a lui Einstein nu spune că energia se conservă. Atunci când particulele interacționează într-un spațiu-timp static, energia se conservă; dar când această interacțiunea are loc într-un spațiu-timp care se schimbă, energia totală a acestor particule nu se conservă. Amintiți-vă de fotonii care-și pierd energia, pe măsură ce se deplasează prin univers.


***

Pentru a înțelege mai bine conceptul de energie, vă invităm să urmăriți videoclipul de mai jos.

Ce este energia?

Surse: 1, 2.


Dacă găsiţi scientia.ro util, sprijiniţi-ne cu o donaţie.


PayPal ()
CoinGate Payment ButtonCriptomonedă
Susţine-ne pe Patreon!