¿El hecho de que la energía no se conserve en la cosmología abre la posibilidad de que se creen nuevos átomos/materia en el universo?

En esta respuesta, discutiré el estado promedio global de la materia en el universo, como lo describen los modelos cosmológicos como los modelos lambda-CDM, que asumen homogeneidad e isotropía. Eso significa que no estoy discutiendo fluctuaciones extremas o cosas como los cerebros de Boltzmann, de los que habla la respuesta de AVS.

¿El hecho de que la energía no se conserve en la cosmología abre la posibilidad de que se creen nuevos átomos/materia en el universo?

La creación de nueva materia bariónica es algo que se consideró seriamente en el contexto del modelo de estado estacionario, defendido por Hoyle, Bondi y Gold hasta aproximadamente mediados de la década de 1960, cuando la evidencia de un big bang caliente acabó con el modelo de estado estacionario. . Uno de los problemas con los modelos de estado estacionario era que tenían que violar la invariancia de Lorentz, ya que tenía que haber algún estado de movimiento preferido para los átomos de hidrógeno recién creados. (También violan las simetrías de inversión de tiempo y conjugación de carga).

Tienes razón en que la masa-energía no se conserva globalmente en la relatividad general, pero se conserva exactamente localmente en el sentido de que la divergencia$\nabla_a T^a{}_b$del tensor esfuerzo-energía es cero.

Actualmente, nuestro universo se aproxima bastante bien al espacio-tiempo de De Sitter, y se espera que permanezca así para siempre, según las teorías actuales. Para simplificar, supongamos por el momento que la geometría del universo tiene que ser exactamente de Sitter. Esto fue lo que Hoyle et al. querían, porque querían que todas las eras del universo tuvieran el mismo aspecto, y el universo de De Sitter es el único modelo cosmológico que tiene esta simetría. Esto parece bastante similar a la motivación física de su pregunta, que era si sería posible que el universo evitara un destino en el que básicamente no había nada más que energía oscura.

Para el espacio-tiempo de De Sitter, la divergencia del tensor tensión-energía tiene una componente temporal igual a

donde$a$es el factor de escala que describe la expansión cosmológica,$\rho$es la densidad de masa-energía, y$P$es la presión. (Todo esto es en unidades donde$c=1$.) Por esta razón, debemos tener

En todas partes. La energía oscura satisface esta condición, pero la materia bariónica no. Por lo tanto, no es posible que se cree nueva materia bariónica en la expansión cosmológica, en el espacio-tiempo de De Sitter.

Si eres un teórico astuto como Hoyle y buscas una manera de escapar de esta restricción, hay una salida, que es postular la existencia de un campo con$\rho=0$y$P<0$. Hoyle llamó a esto el campo C. Entonces, si agrega las contribuciones a la energía de estrés del campo C y la materia bariónica, puede terminar con$\rho+P=0$.

Aunque la energía oscura es actualmente la forma dominante de masa-energía en el universo, los modelos cosmológicos realistas incorporan otros campos de materia, incluida la materia bariónica. Por lo tanto, estos modelos no tienen exactamente la geometría del espacio de De Sitter. Eso complica las cosas en comparación con el argumento anterior, pero la conclusión sigue siendo la misma. De acuerdo con estos modelos, no se puede tener la producción de nueva materia bariónica sin violar la conservación local de masa-energía, que está integrada en la estructura de la relatividad general.

Si intenta construir un modelo que produzca nueva materia bariónica sin violar la conservación local de masa-energía, entonces, hasta donde yo sé, se lo lleva de manera única a algo como la teoría del "campo C" de Hoyle, y luego tiene todos los problemas de esa teoría, incluida la violación de la invariancia de Lorentz y la incompatibilidad con observaciones como el fondo cósmico de microondas. Para obtener más información sobre los intentos (fallidos) de reconciliar tales teorías con el conocimiento moderno, consulte esta página web de Ned Wright. También tengo una discusión matemática del modelo de estado estacionario en la sección 8.4 de mi propio libro GR .

Lo que planteó mi pregunta es la idea de la inflación eterna. Se está creando nueva materia en los universos de burbujas recién creados. Por supuesto, esto es altamente especulativo, pero como profano me pregunto si es posible ya que la energía no se conserva.

La energía se conserva localmente. Simplemente no se conserva globalmente. La respuesta de John Rennie explica por qué la inflación no es una excepción a esto.

Casi seguro que no.

Actualmente la no conservación de la energía es principalmente la producción de energía oscura. Es decir, dado que la densidad de energía oscura es constante (al menos este parece ser el caso), la expansión del universo crea nueva energía oscura de la nada. Si la energía oscura pudiera convertirse en materia, entonces esto podría crear nueva materia. Sin embargo, no hay evidencia, ni experimental ni teórica, de que esto pueda suceder.

Habiendo dicho esto, si alguna de las diversas teorías de la inflación resulta ser correcta, entonces un proceso muy parecido a este es responsable de toda la materia del universo. Cuando el campo inflatón decayó al final de la inflación, los productos finales eventuales de ese decaimiento fueron las partículas que vemos hoy a nuestro alrededor. Sin embargo, tenga en cuenta que (a) la densidad de energía del campo de inflatón era mucho mayor que la densidad de la energía oscura y (b) todo esto es altamente especulativo ya que no tenemos idea de qué era el campo de inflatón, si es que existió.

La respuesta es sí, incluso si asumimos que no hay creación de materia directamente a partir de la energía oscura. Aunque en la época cosmológica actual la cantidad de materia que podría crearse de este modo está muchos órdenes por debajo del umbral de detección. Sin embargo, los procesos asociados pueden volverse relevantes en un futuro muy, muy lejano del universo.

El camino es simple: horizonte cosmológico + mecánica cuántica = creación de materia. Es el mismo principio que está detrás de la radiación de Hawking de los agujeros negros solo en escalas cosmológicas. Y a diferencia de la radiación de Hawking, que disminuye la masa del agujero negro y eventualmente conduce a su evaporación, esta creación de partículas es una consecuencia de la expansión cosmológica acelerada ilimitada y continuaría eternamente.

La principal fuerza impulsora detrás de la expansión cosmológica acelerada es la energía oscura . Si asumimos que es verdaderamente estable, que corresponde a una constante cosmológica distinta de cero , entonces eventualmente el universo entraría en la fase de De Sitter donde el parche causal del universo tendría un horizonte de eventos estable con una temperatura fija. Si la mayor parte del resto de la materia dentro de esta porción del universo se desintegra, la mayor parte de lo que queda (como los electrones y los positrones) se lleva fuera del horizonte cosmológico por el universo en expansión exponencial, los agujeros negros se evaporan , entonces en tiempos tan tardíos, la mayor parte del contenido de cualquier parte del universo conectada causalmente sería radiación de Gibbons-Hawking a una temperatura fija$T_{\rm dS}= H_{*}/2\pi$, donde$H_* = \sqrt{\Lambda/3}$es el parámetro de Hubble constante y$\Lambda$es constante cosmológica. Esta radiación que llena el universo es precisamente la nueva materia creada y potencialmente puede contener materia bariónica que incluye estructuras bastante complejas. Por supuesto, para la mayoría de los parches causales, su contenido sería bastante aburrido: fotones/gravitones de longitudes de onda extremadamente grandes y muy, muy raramente, algunas partículas elementales masivas. Pero, a medida que el universo continúa su expansión exponencial, el número de tales parches continuaría aumentando. Y aunque la probabilidad de cualquier contenido no trivial en cualquier parche local sigue siendo muy pequeña, el número total de 'intentos' seguirá creciendo. Entonces, si esperamos lo suficiente, entre la materia creada en este universo podría haber observadores sensibles (los llamados cerebros de Boltzmann ). Por ejemplo, aquíhay una estimación de la probabilidad de aparición de un cerebro de Boltzmann como resultado de la fluctuación:$\exp(-10^{42})$, por lo que el tiempo probable para la primera aparición del cerebro de Boltzmann sería$\exp(10^{42}) \,\text{Gyr}$. Y si nuestro universo existiera por una cantidad ilimitada de tiempo en el futuro, entonces la mayoría de los observadores conscientes surgirían de tales fluctuaciones. Mucha gente parece encontrar esta situación (potencial) inquietante:

• Página, DN (2008). ¿Es probable que nuestro universo se desintegre dentro de 20 mil millones de años?. Revisión física D, 78(6), 063535, doi , arXiv .

• Bousso, R. y Freivogel, B. (2007). Una paradoja en la descripción global del multiverso. Journal of High Energy Physics, 2007(06), 018, doi , arXiv .

Tal estado futuro del universo estrictamente hablando no podría llamarse una "muerte térmica" ya que hay una creación de partículas distintas de cero a una temperatura positiva constante y si esperamos el tiempo suficiente podríamos observar fluctuaciones arbitrariamente grandes, sin embargo, durante la mayor parte del tiempo casi todos los parches causales del universo estarían casi vacíos (en comparación con el universo actual), por lo que desde el punto de vista de la vida actual, este estado podría denominarse "coma de calor".

Por supuesto, en la actualidad, la temperatura asociada con el horizonte cosmológico es muchos órdenes de magnitud más pequeña que las temperaturas de los agujeros negros supermasivos, sin mencionar las temperaturas de muchos otros subsistemas astrofísicos, por lo que cualquier materia creada por este mecanismo sería ahogada por el ruido de muchos otros procesos están sucediendo ahora, por lo que los tiempos en que estos efectos podrían volverse relevantes están en un futuro muy lejano.

Por supuesto, la respuesta de John Rennie es correcta, solo me gustaría agregar algunas cosas.

Se creó nueva materia durante la producción de pares en el universo primitivo con otro suceso llamado asimetría bariónica.

Ahora, en términos de creación de materia, la producción de pares está ocurriendo continuamente en el Universo, solo piense en un neutrón, dentro del mar de quarks, donde se crean y aniquilan pares de quarks-antiquarks.

Es la asimetría bariónica que ya no observamos en el universo, y sin ella, no se está creando materia nueva (materia normal) hasta donde sabemos. No sabemos sobre la materia oscura si se está creando. Es energía oscura que se está creando en el universo en expansión con densidad constante.

Básicamente, para que se cree nueva materia, la asimetría bariónica necesitaría niveles de energía mucho más altos que los que tenemos ahora.

Por favor, mire esta pregunta y la respuesta:

La asimetría bariónica sigue ocurriendo

La violación del número bariónico, uno de los requisitos para la asimetría bariónica, solo ocurre a una tasa significativa en el modelo estándar a altas temperaturas, mucho más altas que las que se sabe que existen en el universo.

Sabemos experimentalmente que cualquier otro proceso que viole el número bariónico debe ser bastante raro y/o ocurrir solo en condiciones extremas, ya que aún no hemos observado ninguno.

Teóricamente, los agujeros negros violan la conservación del número bariónico. Los agujeros negros no tienen un número bariónico, por lo que cuando un barión cae en un agujero negro, su número bariónico se pierde. Si considera una estrella de neutrones colapsando en un agujero negro y lo que sucede después, es bastante fácil convencerse de que el número de bariones no se puede conservar.