空間膨脹是如何導(dǎo)致物質(zhì)粒子失去動(dòng)能的?

首先，速度是物體在給定時(shí)間內(nèi)運(yùn)動(dòng)的距離，就像波長是兩個(gè)連續(xù)的峰值之間的距離一樣。對(duì)于粒子來說，速度的作用方式與輻射波長相似：粒子的速度是系統(tǒng)固有動(dòng)能的量度。

更高能量(更短的波長)的輻射是伽馬射線，而不是無線電波，更快的粒子也有更高的能量，在這里表示為溫度!這就是為什么更熱的粒子運(yùn)動(dòng)得更快更有效。

然而，隨著宇宙中膨脹的物體之間距離的增加，不僅僅是波長增加，不僅僅是輻射的能量減少，粒子的速度也會(huì)減少，所以粒子的能量也會(huì)隨著時(shí)間減少!為什么粒子的速度會(huì)下降?假設(shè)一個(gè)粒子相對(duì)于一個(gè)特定的位置以100km /s的速度運(yùn)動(dòng)，那么宇宙的膨脹速度就是10km /s/kpar。(這比今天的膨脹速度快1000多倍，1千秒相當(dāng)于3000光年多一點(diǎn)。)那么當(dāng)這個(gè)粒子以每秒100公里的速度運(yùn)動(dòng)1000萬年，也就是1000秒差距時(shí)，會(huì)發(fā)生什么呢?

粒子仍在以100千米/秒的速度移動(dòng)，但空間正在以10千米/秒的速度膨脹，距離為1000秒差距!這會(huì)抵消一些粒子的速度;現(xiàn)在粒子相對(duì)于空間的運(yùn)動(dòng)速度僅為每秒90千米。隨著宇宙不斷膨脹，粒子的速度將繼續(xù)下降。

所以在膨脹的宇宙中，輻射會(huì)因?yàn)槠洳ㄩL的紅移而失去能量，但動(dòng)能也會(huì)因?yàn)橛钪娴呐蛎浂ツ芰?

所以物質(zhì)粒子會(huì)受到宇宙膨脹的影響，它們會(huì)冷卻并失去能量。對(duì)于非相對(duì)論性粒子(那些運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)低于光速的粒子)，能量與它們速度的平方成正比，所以粒子的動(dòng)能每因宇宙膨脹而減半，其速度就會(huì)降低29%。像質(zhì)子和中子這樣的粒子變成了非相對(duì)論性粒子，并在宇宙大約一微秒時(shí)開始以物質(zhì)的形式存在;一個(gè)電子大約是一秒;中微子需要數(shù)萬年的時(shí)間。

我們今天在宇宙中看到的分子、恒星、星系和行星的形成，不僅需要輻射能量的下降，還需要宇宙中單個(gè)粒子的能量和動(dòng)能的下降。這就是宇宙膨脹冷卻物質(zhì)粒子的方式，因?yàn)檫@正是我們今天的宇宙所需要的過程!