Warum nimmt die Temperatur des frühen Universums ab, wenn es sich ausdehnt? [Duplikat]

Nach der Urknalltheorie kühlte das Universum bei seiner Ausdehnung ab. Ich würde gerne wissen, warum die Temperatur sinkt? Und mit "warum" meine ich wie . Wodurch sinkt die Temperatur, was ist der physikalische Vorgang?

Betrachten wir der Einfachheit halber das frühe Universum nach der Bildung von Protonen und Neutronen, aber bevor die Moleküle erschienen, also haben wir etwas, das einem einatomigen Gas ähnelt. Die Temperatur eines solchen Gases wird anhand der durchschnittlichen kinetischen Energie definiert ϵ A v G der Teilchen:

T = 2 3 ϵ A v G K B Ö l T z M A N N

Wenn die Temperatur T abnimmt, dann die ϵ A v G muss abnehmen. Durch welche Ursachen ϵ A v G verringern? Eine beliebte Erklärung für ein ideales Gas in einem Zylinder ist, dass die Partikel am einfahrenden Kolben arbeiten und dabei Energie verlieren. Aber können wir diese Erklärung auf das expandierende Universum anwenden? Ich glaube nicht. Wenn die Teilchen Energie verlieren, wohin geht diese Energie? Die Teilchen kollidieren nicht mit dem Rand des Universums (dem imaginären "Kolben"), da es nichts gibt, womit sie kollidieren könnten. Es gibt keinen Rand, da sich der gesamte Raum ausdehnt.

Vielleicht ist die Abkühlung auf etwas Ähnliches wie den Joule-Thomson-Effekt zurückzuführen, bei dem eine Expansion eines realen Gases ins Vakuum eine Abkühlung aufgrund einer Umwandlung von kinetischer Energie der Moleküle in potentielle Energie erzeugt.
In der Epoche, die Sie beschreiben, war das Universum strahlungsdominiert, nicht materiedominiert. In einem strahlungsdominierten Universum gibt es eine ziemlich ansprechende halbwegs wellige Erklärung für die Abkühlung, die einfach darin besteht, dass die kosmologische Expansion die Wellenlängen von Photonen dehnt. Wenn die Teilchen Energie verlieren, wohin geht diese Energie? Die Allgemeine Relativitätstheorie hat kein konserviertes, skalares Energiemaß, außer in Sonderfällen wie asymptotisch flachen Raumzeiten. Deshalb kann beispielsweise ein Photon im heutigen Universum durch kosmologische Expansion Energie verlieren.
Das habe ich mich auch schon gefragt, bin aber zu einem anderen Schluss gekommen. Das Universum kann sich bei der Expansion nur abkühlen, wenn es zu Beginn so heiß und dicht war. Es ist nicht klar, warum es als "heiß" beginnen sollte. Würde die adiabatische Abkühlung nicht darauf hindeuten, dass das früheste Universum so kalt und dicht begann (so kalt, wie es nur sein könnte)? In diesem Fall würde dieses Problem verschwinden. Das Universum würde sich erwärmen, wenn es sich ausdehnt, anstatt abzukühlen, wobei die Hintergrundstrahlung ein Maß für seine Wärme ist. Ich behaupte nicht, dass ich es weiß. Ich tu nicht. Aber die Annahme, dass das Universum als heiß begann, muss gerechtfertigt sein.

Antworten (1)

Ich denke, Sie haben bereits das Konzept identifiziert, über das Sie nachdenken müssen. Es geht nicht darum, dass die Teilchen Energie verlieren, sondern dass das expandierende Universum den Druck dieses theoretischen Gases verringert, und die Temperatur ist druckabhängig und mehr oder weniger ein Maß für Energie Dichte.

Das kann nicht die Antwort sein! Entspannt man ein ideales Gas in ein größeres Vakuumgefäß, sinkt der Druck ohne Temperaturänderung. Nur wenn Sie das Volumen adiabatisch erweitern, indem Sie die Wände des Gasbehälters bewegen, erhalten Sie eine Temperaturabnahme aufgrund der Arbeit, die das Gas an den Wänden verrichtet.
Ich glaube, diese Antwort diskutiert dies detaillierter als ich es geschafft habe. physical.stackexchange.com/a/57080/93704
Warum nimmt die Temperatur des frühen Universums ab, wenn es sich ausdehnt? [Duplikat]
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