Cuando dicen que el universo se enfrió después del big bang, ¿a dónde se fue el calor?

Cuando el universo se expande, es importante comprender que la forma en que evoluciona su contenido de energía depende de la forma de energía involucrada. Si toda esa energía está encerrada en forma de energía de masa, entonces la densidad de esa materia disminuirá proporcionalmente al aumento relativo de cualquier volumen arbitrario del universo (es decir, si la expansión duplica el tamaño de las cosas, todos los volúmenes se multiplicarán por 8, y correspondientemente todas las densidades se dividirán por 8). En otras palabras, si$a$es el factor de escala del universo, y$\rho_m$su densidad de materia, tenemos:

Por lo tanto, la cantidad total de energía de masa (que es$\rho_m \times a^3$) se conserva. ¿Qué sucede si el contenido de energía del universo está dominado por la radiación? En esa situación, además de la disminución de la densidad, la radiación también se desplaza hacia el rojo proporcionalmente al factor de escala. Por lo tanto, si$\rho_R$es la densidad de energía de radiación, tenemos:

Aquí, la energía total ($\rho_R \times a^3$) no se conserva, lo cual, recordemos, no es un problema en la Relatividad General. El período al que se refiere su libro de texto es probablemente la era de la radiación (aproximadamente la primera$50,000$años de la historia del universo). De hecho, durante este tiempo, el universo se enfrió de una manera que disminuyó la energía total del universo. No fue a ninguna parte, de hecho está "perdido" en cierto sentido.

Por el contrario, podemos tener una situación en la que se gana energía. Este es el caso de cualquier modelo de energía oscura, pero simplifiquemos y consideremos el caso de una constante cosmológica.$\Lambda$. Esto corresponde a una densidad de energía constante . Es decir$\rho_\Lambda$es independiente de$a$. Entonces la energía total será$\rho_\Lambda \times a^3$, y por lo tanto aumentará con la expansión.

Aquí usé vagamente la palabra "total" dado que no significa mucho en un universo infinito. Una expresión más rigurosa para "total" sería cualquier esfera elegida arbitrariamente en coordenadas comomóviles , siempre que su radio esté por encima de la escala de falta de homogeneidad.

Temperatura significa energía. La energía térmica todavía está aquí. Es solo que el "objeto" (el Universo) se hizo más grande, por lo que esta energía tuvo que propagarse a través de él. Cuanta más energía hay en un solo punto, más caliente está. Por eso dicen que se puso más fresco. Es como si el gas en expansión de tu desodorante en aerosol estuviera frío cuando sale de la lata, pero estaba a temperatura ambiente dentro de la lata. La energía sigue siendo la misma.

Tenga en cuenta que esta es solo una analogía simple y debe reconocerse que hay procesos mucho más complejos involucrados. Se pidió la respuesta de un Laico.

En el caso de la fusión nuclear, se genera una gran cantidad de calor y empuje. En la época del Big Bang, el proceso era todo lo contrario. la naturaleza estaba consumiendo la sustancia cosmológica como calor y empuje para crear masa usando el campo de Higgs. Por lo tanto, el proceso de enfriamiento fue solo un proceso natural. Pramod Kumar Agrawal