Wie hoch ist der Druck im Weltraum?
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In diesem Fall könnte es sinnvoll sein, genauer zu präzisieren, was wir unter „Druck“ verstehen. Wenn wir Begriffe außerhalb des beabsichtigten Kontexts verwenden, kommen wir oft zu absurden Schlussfolgerungen. (Einerseits kann es mit Metaphern funktionieren, die manchmal äußerst nützlich sind, aber das ist ein Thema für eine andere Frage.)
In der klassischen Physik wird Druck als die auf eine Oberfläche ausgeübte Kraft definiert. Es gilt jedoch nur die Kraftkomponente senkrecht zur Fläche. Mathematisch gesehen wird Druck als skalare Größe betrachtet, als Skalarprodukt aus Kraft und Flächenvektor senkrecht (oft als „normal“ bezeichnet, aber das ist ein überladenes Wort) zur Oberfläche.
Wenn wir über Druck sprechen, müssen wir berücksichtigen, was die Kraft verursacht. In der Strömungsmechanik ist es die Ansammlung der Moleküle in einer Flüssigkeit oder einem Gas, die die Kraft ausüben. In der Festkörpermechanik betrachten wir häufiger „Spannung“, eine Form eines Drucks, der dazu führt, dass sich ein fester Körper verformt, also eine „Dehnung“. (Randbemerkung: Spannung ist eine 3D-Matrix, die die drei Dimensionen berücksichtigt, in denen sie auftreten und eine Spannung ausüben kann, im Gegensatz zum skalaren Druck.)
„Weltraum“ ist ein mehrdeutiger Begriff, aber die meisten Leute meinen „Weltraum“, also einen praktischen Vakuumbereich mit vernachlässigbarer Gravitation. Sogar in Regionen des Weltraums gibt es Moleküle einer bestimmten Verbindung, am häufigsten Wasserstoff, sowie nicht-materielle „Teilchen“ wie Photonen, die elektromagnetische Energie übertragen. Beide können mit einer festen Oberfläche interagieren, indem sie durch Kollisionen Energie und Impuls übertragen und so effektiv als Kraft wirken.
Ist das „Druck“? In gewissem Sinne wäre es jedoch besser, im Zusammenhang mit dem Weltraum andere Begriffe zu verwenden, wenn man bedenkt, dass Druck normalerweise auf eine Flüssigkeit hinweist, so wie Spannung für feste Körper verwendet wird.
Der Raumdruck ist höchstwahrscheinlich negativ – für ein Nullenergieuniversum beträgt der durchschnittliche Druckwert:
-P = p (c^2)/3
wobei p die Dichte ist. Dies bedeutet, dass Unterdruck (hauptsächlich in Form der Gravitationsfelder der Sterne) gleich positiver mc^2- Energie ist (Sterne plus jede andere Quelle von Gravitationsenergie).
Das Verhältnis P/ p ist die Zustandsgleichung des Nullenergieuniversums – es entspricht der vorgegebenen exponentiellen Expansionsrate c^2/R .
Unterdruck kann im Labor nicht gemessen werden – es ist nicht möglich, einen Behälter herzustellen, der undurchlässig für undichten Raum ist – die meisten Atome bestehen größtenteils aus leerem Raum – daher sind alle materiellen Objekte einfache Siebe, wenn es um den Weltraum geht (was auch immer der Raum ist). . Unterdruck scheint auch andere Eigenschaften zu haben als Überdruck – es sind keine kinetischen Partikel bekannt, die von Innenwänden abprallen. Im Gegensatz zu positiven Drücken, die dem Gesetz von Pascal gehorchen, sind Gradienten in Umgebungen mit negativem Druck nicht ausgeschlossen.
Die Idee eines unter Spannung stehenden Universums wurde erstmals um 1950 vom britischen Kosmologen William McCrea eingeführt. Er war der Meinung, dass die Ausweitung des Unterdrucks positive Energie erzeugen würde. Unter Verwendung der Hubble-Kugel als Stichprobengröße kann gezeigt werden, dass die Geschwindigkeit der Erzeugung positiver Energie aufgrund der Expansion ungefähr der Geschwindigkeit der Erzeugung negativer Energie im expandierenden Volumen entspricht.