Wat betekent het dat 'donkere energie arbeid verricht op de lege ruimte'?

Antwoord

Arbeid is een vorm van energie.  Zoals u ongetwijfeld weet, is de totale energie van een systeem - dus ook van het heelal - een behouden grootheid.  In de zogenaamde 'eerste hoofdwet' van de thermodynamica wordt dat uitgedrukt als dE = dU + P dV = 0.

Hierbij betekenen de symbolen het volgende: E is de totale energie, U de inwendige energie, P de druk, V het volume; de d's staan voor 'verandering van' (differentiaal).

De eerste hoofdwet stelt dus dat de verandering van de inwendige energie plus de arbeid die geleverd wordt, nul geeft.

Men kan verschillende gevallen onderscheiden:

1) De component 'materie' in het heelal.  Men stelt het heelal voor als een gas van sterrenstelsels.  Deze interageren weinig met elkaar, ze wisselen weinig beweging uit, de druk is dus nul.  De totale inwendige energie U moet dus constant zijn (dU = 0).  De totale inwendige energie is gelijk aan de energie per eenheid van volume (energiedichtheid) maal het volume: U = u V.  Vermits het volume V toeneemt door de expansie, moet de energiedichtheid afnemen: u neemt af volgens 1 gedeeld door de derde macht van de 'straal' R.

2) De component 'straling' in het heelal.  Straling voert wel druk uit, er is dus een term van arbeid.  Men vindt uiteindelijk dat de energiedichtheid van straling afneemt volgens 1 gedeeld door de vierde macht van de 'straal' R.

3) En nu dan de 'donkere energie'.  Die geeft een constante energiedichtheid u aan de lege ruimte.  De totale inwendige energie U = u V neemt dus toe met de expansie.  Energiebehoud wordt dan gegeven door dE = (u + P) dV = 0.  Dat kan enkel maar als u + P = 0.  De energie van de lege ruimte is positief (dat leren de waarnemingen ons), dus moet aan de donkere energie een negatieve druk geassocieerd zijn! De expansie van de lege ruimte van het heelal levert dus een negatieve arbeid.  Of anders gezegd: door de expansie wordt arbeid op de lege ruimte verricht.