Ist die gesamte Lichtmenge heute dieselbe wie vor 13,8 Milliarden Jahren?

Ist die gesamte Lichtmenge heute dieselbe wie vor 13,8 Milliarden Jahren? Ist es fair anzunehmen, dass der gesamte Hintergrund-Photonenfluss (ohne lokale Abweichungen) gegeben ist durch   C M − 2 S − 1 S R − 1 global unverändert. Abgesehen vom Elektronen/Photonen-Austausch, gibt es so etwas wie Lichterhaltung?

Können Sie Ihre Frage erweitern. Ich denke, es ist ziemlich unklar.
Ich bin mindestens so religiös wie die meisten, aber dies ist eine Wissenschaftsseite. Der Titel dieses Beitrags sollte wahrscheinlich geändert werden.
@DavidWhite In der Tat, und in solchen Fällen würde ich Sie (oder jeden anderen) ermutigen, diese Bearbeitung selbst vorzunehmen. Bearbeitungen, die Titel ändern, um klar darzustellen, was die Frage stellt, sind besonders nützlich.

Antworten (3)

Wenn Sie „Lichtmenge“ sagen, seien Sie zunächst vorsichtig, was Sie meinen.

1.) Meinen Sie die Gesamtzahl der Photonen im gesamten Universum? (Hier meine ich nicht nur innerhalb unseres Horizonts, sondern im Universum als Ganzes, falls das eine Bedeutung hat.) Wenn Sie das meinen, dann sollte die Gesamtzahl der Photonen ziemlich nahe an dem liegen, was sie kurz nach der Entstehung des Universums war transparent (z. B. unmittelbar nachdem die Oberfläche der letzten Streuung gebildet wurde (die wir als CMB sehen)). Es wird einige Prozesse geben, die diese Zahl ändern können (verschiedene Streuungen an Teilchen, Sammlung durch CMB-Satelliten usw.), aber an der Oberfläche der letzten Streuung ist die mittlere freie Weglänge eines Photons größer als die Größe des sichtbaren Universums. Die meisten der damals erzeugten Photonen werden heute noch existieren.

2.) Meinen Sie die Photonenzahldichte (# Photonen pro Kubikmeter)? Seit der Bildung des CMB hat sich der Raum ausgedehnt und die Zahl der Photonen pro Kubikmeter hat sich stark verringert.

3.) Meinen Sie die Photonenenergiedichte (von Photonen pro Kubikmeter transportierte Energie)? Dies wird auch viel kleiner sein, sowohl aufgrund der Raumausdehnung (weniger Photonen pro Kubikmeter, wie oben erwähnt) als auch aufgrund der Rotverschiebung der Photonen, wodurch sie Energie verlieren, wenn der Raum auch ihre Wellenlänge ausdehnt.

Hoffe das hilft.

Um genau zu sein, beachten Sie bitte, dass es keine Erhaltung der Photonenzahl gibt. Dies sind Bosonen, Photon-Photon-Wechselwirkungen existieren und können die Anzahl der Photonen ebenfalls vervielfachen, aber es ist wahr, dass der Ausbruch in der Ära der Photonen-Entkopplung alle neuen Generationen überschwemmt.
Einverstanden. Aus Sicht der Teilchenphysik ist die Photonenzahlerhaltung nicht ganz richtig. Aus kosmologischer Sicht wird normalerweise die Erhaltung der Photonenzahl angenommen, da die mittlere freie Weglänge größer als die Hubble-Entfernung ist (es sei denn, interstellarer / intergalaktischer Staub ist in Ihrem Modell wichtig).

Photonen sind alles andere als konserviert. Erstens kann jedes Teilchen während einer inelastischen Kollision zerfallen oder erzeugt oder vernichtet werden. Zum Beispiel,

π 0 → 2 γ .
Zweitens bleiben Photonen selbst bei elastischen Stößen, wie dem Energieniveauübergang von Elektronen in einem Atom, nicht erhalten.

Im Allgemeinen ist nach dem Satz von Noether jede Erhaltungsgröße mit einer eindimensionalen kontinuierlichen globalen Symmetrie verbunden. Leider gibt es keine solche Symmetrie für zu erhaltende Photonen.

Damit die Zahl der Photonen erhalten bleibt, müsste bei jeder Absorption ein neues Photon erzeugt werden. Da es Prozesse gibt, die dieser Regel nicht folgen, gibt es keinen Grund zu der Annahme, dass die Gesamtzahl erhalten bleibt. Wenn beispielsweise ein Elektron durch den photoelektrischen Effekt aus einem Metall ausgestoßen wird, wird ein Photon absorbiert (das sich in die Energie umwandelt, die zum Überwinden der Austrittsarbeit und anschließend der kinetischen Energie des Elektrons erforderlich ist), und ein anderes wird nicht erzeugt.

Aber vielleicht meinten Sie, dass im Durchschnitt die Anzahl der Photonen im Universum erhalten bleibt. Leider sollte auch dies nicht stimmen. Zunächst ist es vernünftig anzunehmen, dass der Photonenfluss des Universums durch den kosmischen Mikrowellenhintergrund dominiert wird (was er ist, zu 1 Teil in 100, gemäß der Anzahldichte von CMB-Photonen? ), die sehr gut angenähert werden ein schwarzer Körper mit einer bestimmten Temperatur T (derzeit 2,7 K). Diese Temperatur ist seit dem Urknall allmählich gesunken. Die Anzahl der von einem schwarzen Körper pro Sekunde emittierten Photonen ist proportional zu T 3 (siehe Seite 9 von http://www.spectralcalc.com/blackbody/CalculatingBlackbodyRadianceV2.pdf ). Daher bedeutet eine sinkende Schwarzkörpertemperatur im Laufe der Zeit eine abnehmende Anzahl von Photonen im Universum.

Der CMB ist nicht wirklich ein kühlender Schwarzkörper, der weniger Photonen emittiert, die ursprünglichen Photonen werden nur durch das expandierende Universum rotverschoben. Die Gesamtzahl der CMB-Photonen sollte ungefähr erhalten bleiben - abzüglich des winzigen Anteils, der zufällig auf ein Objekt in einem ziemlich leeren Universum trifft.
@MartinBeckett Photonenfluss pro Frequenzbin und spektrale Strahldichte hängen auf einfache Weise zusammen (siehe die zweite Quelle in meiner obigen Antwort). Wir wissen, dass die spektrale Strahlung (daher der Photonenfluss pro Frequenzbin) für den CMB heute in sehr hohem Maße mit einem schwarzen Körper übereinstimmt. Irgendwann in der Vergangenheit wurden die Wellenlängen der Photonen relativ zu dem, was sie heute sind, verkürzt. Unter der Annahme, dass die Anzahl der Photonen gleich ist, gibt es keine Möglichkeit, die spektrale Strahlung eines schwarzen Körpers mit höherer Temperatur anzupassen. Wollen Sie damit sagen, dass das CMB in der Vergangenheit kein Schwarzer Körper war?
Ich sage, dass die von einem schwarzen Körper pro Sekunde emittierten Photonen kein nützliches Modell des CMB sind. Es emittiert keine neuen Photonen mit längerer Wellenlänge, wenn "es" abkühlt
@MartinBeckett Wenn es kein Schwarzkörper ist, warum ist es dann so gut als Schwarzkörper modelliert?
Es ist ein schwarzer Körper, weil es als schwarzer Körper begann und die Rotverschiebung alle Wellenlängen gleichermaßen verschiebt. Aber es ist falsch, es als einen gegenwärtigen schwarzen Körper zu betrachten, der jetzt weniger Photonen "emittiert" als zu der Zeit, als es heißer war. Seit dem Photonenzeitalter hat es keine neuen Photonen mehr emittiert
Es tut mir leid, aber die Photonenzahl ist keine konservierte Quantenzahl. Jede "Erhaltung" sollte aus Energieargumenten des klassischen elektromagnetischen Spektrums kommen. Auch werden ständig neue Photonen produziert (Wechselwirkungen mit Staub können zum Beispiel sichtbare Lichtphotonen in Mikrowellenphotonen umwandeln), sie sind einfach zu wenig im Vergleich zu dem Burst in der Ära der Photonenentkopplung.
@annav Ich stimme dir zu, und ich bin ein wenig verwirrt darüber, warum du diesen Kommentar zu meiner Antwort gepostet hast, was auch mit dir übereinstimmt. Wollten Sie eine separate Antwort posten?
Ich kläre, denke ich, für Ihren ersten Satz und für den letzten Kommentar von @MartinBeckett Martin, schauen Sie sich diese en.wikipedia.org/wiki/Relativistic_Doppler_effect#cite_note-6 und die darin enthaltenen Argumente an
Ist die gesamte Lichtmenge heute dieselbe wie vor 13,8 Milliarden Jahren?
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