¿Por qué la temperatura del Universo primitivo disminuye a medida que se expande? [duplicar]

Según la teoría del Big Bang, el universo se enfrió a medida que se expandía. Quisiera saber porque baja la temperatura? Y por "por qué" me refiero a cómo . ¿Qué hace que la temperatura disminuya, cuál es el proceso físico?

Para simplificar, consideremos el Universo primitivo después de que se formaran los protones y los neutrones pero antes de que aparecieran las moléculas, por lo que tenemos algo parecido a un gas monoatómico. La temperatura de dicho gas se define en términos de la energía cinética promedio ϵ a v gramo de las partículas:

T = 2 3 ϵ a v gramo k b o yo t z metro a norte norte

si la temperatura T disminuye, entonces el ϵ a v gramo debe disminuir. por que causas ϵ a v gramo ¿disminuir? Una explicación popular para un gas ideal en un cilindro es que las partículas realizan trabajo sobre el pistón retráctil y pierden energía. Pero, ¿podemos aplicar esta explicación al Universo en expansión? No me parece. Si las partículas pierden energía, ¿adónde va esta energía? Las partículas no chocan con el borde del universo (el "pistón" imaginario), ya que no hay nada con lo que chocar. No hay borde, ya que todo el espacio se está expandiendo.

Tal vez el enfriamiento se deba a algo similar al efecto Joule-Thomson, donde una expansión del gas real en el vacío produce un enfriamiento debido a la conversión de la energía cinética de las moléculas en energía potencial.
En la época que estás describiendo, el universo estaba dominado por la radiación, no por la materia. En un universo dominado por la radiación, existe una explicación semi-manual-ondulada bastante atractiva para el enfriamiento, que es simplemente que la expansión cosmológica estira las longitudes de onda de los fotones. Si las partículas pierden energía, ¿adónde va esta energía? La relatividad general no tiene ninguna medida de energía escalar conservada, excepto en casos especiales como los espacio-tiempos asintóticamente planos. Por eso, por ejemplo, un fotón en el universo actual puede perder energía debido a la expansión cosmológica.
Me he preguntado esto también, excepto que llegué a una conclusión diferente. El universo solo puede enfriarse al expandirse si comenzó como caliente y denso. No está claro por qué debería comenzar como 'caliente'. ¿No sugeriría el enfriamiento adiabático que el primer universo comenzó siendo frío y denso (tan frío como podría ser)? En cuyo caso este problema desaparecería. El universo se calentaría a medida que se expandiera en lugar de enfriarse, siendo la radiación de fondo una medida de su calor. No estoy afirmando que lo sé. No. Pero la suposición de que el universo comenzó como caliente necesita justificación.

Respuestas (1)

Creo que ya has identificado el concepto en el que pensar, no es que las partículas estén perdiendo energía, es que el universo en expansión está disminuyendo la presión de este gas teórico, y la temperatura depende de la presión, siendo más o menos una medida de energía. densidad.

¡Esta no puede ser la respuesta! Si expande un gas ideal en un recipiente de vacío más grande, la presión disminuye sin un cambio en la temperatura. Solo si expande adiabáticamente el volumen moviendo las paredes del recipiente de gas, obtendrá una disminución de temperatura debido al trabajo realizado por el gas en las paredes.
Creo que esta respuesta está discutiendo esto con más detalle de lo que logré. física.stackexchange.com/a/57080/93704
¿Por qué la temperatura del Universo primitivo disminuye a medida que se expande? [duplicar]
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