La parte de las ecuaciones de la relatividad general de Einstein referida a la energía del vacío, introduce un término repulsivo en la gravedad. Esto significa que a medida que el espacio se vuelve más y más grande, la parte del vacío se vuelve cada vez más importante, lo que lleva a un crecimiento acelerado e indefinido del universo. ¿Por qué la energía del vacío no viola los principios de la termodinámica? Esto es una especie de movimiento perpetuo, ¿no?
La conservación de energía en GR solo se mantiene aproximadamente en regiones del espacio-tiempo que son muy pequeñas, en comparación con los radios de curvatura. Pero, en general, dado que el transporte paralelo depende de la trayectoria en el espacio-tiempo, un observador no puede definir de manera única la energía de otro observador distante.
El llamado Tiempo Universal en la cosmología FLRW es una convención. Elegimos definir un conjunto de observadores sincronizados, de modo que la métrica se pueda separar en dos factores, uno de ellos con solo coordenadas espaciales. Pero eso no significa que el tiempo universal pueda usarse como un concepto análogo a un newtoniano. que permitiría definir leyes de conservación. Podría dividir el espacio-tiempo de otra manera, definiendo un conjunto diferente de observadores sincronizados.
De todos modos, la física tiene que ver con modelos matemáticos, y eres libre de pensar en términos de la llamada Cosmología newtoniana en los libros de astrofísica. Tiene principalmente propósitos didácticos, pero conduce a algunos resultados correctos (y es lo que muchas personas tienen en mente secretamente cuando hablan de cosmología). En ese marco, puede definir una energía total y ver si se conserva. El problema es que la cosmología newtoniana no tiene energía oscura. ¿Cómo modelarías el sumando de la energía potencial oscura?
La cantidad conservada en GR, en problemas que NO tratan con la energía oscura a escala cosmológica (por ejemplo, cuando se estudian estrellas de neutrones y agujeros negros) es el tensor de momento de energía de la materia normal. Creo que tal vez una declaración equivalente a su pregunta pueda ser: ¿Hay alguna forma de incluir la energía oscura como parte del tensor de energía-momentum, de modo que su ley de conservación aún se cumpla? Hoy en día hay una investigación teórica muy activa sobre cómo modelar la energía oscura, por lo que su pregunta es finalmente muy interesante y aún está abierta.
Debe leer la pregunta aquí sobre conservación de energía en relatividad general para tener una idea de la complejidad del problema.
Usted pregunta:
¿Por qué la energía del vacío no viola los principios de la termodinámica?
La termodinámica es una teoría emergente de la mecánica estadística clásica y que se basa en la mecánica estadística cuántica. La relatividad general no entra en la derivación de las leyes termodinámicas.
Es la conservación de la energía lo que puede cuestionarse y la respuesta está en el enlace proporcionado.
Cito del párrafo final:
Lo que no puede tener es una cantidad de tensor definida globalmente que uno pueda asociar fácilmente con la 'densidad de energía' del campo gravitatorio, o definir una de estas energías para un espacio-tiempo general. La razón de esto es que se necesita un tiempo con el cual asociar una cantidad conservada conjugada con el tiempo. Pero si no hay una forma única de especificar el tiempo, y especialmente ninguna forma de especificar el tiempo de tal manera que genere algún tipo de simetría, entonces no hay forma de avanzar con este procedimiento.
Para violar una ley hay que poder definirla, y parece que esto no es posible en general en la Relatividad General.
Teóricamente, podrías usar la expansión acelerada del universo para crear una máquina de movimiento perpetuo. No sería práctico por cuestiones de ingeniería, pero en teoría es posible. Imagina que tienes dos masas grandes que están separadas por una gran distancia y tienes una cuerda de filamento monomolecular entre los objetos que se puede alargar con un costo de energía insignificante. Con esa configuración, la expansión acelerada causaría una tensión en esa cuerda y podrías dejar que esa fuerza se ejerza a lo largo de una distancia para extraer trabajo de la expansión acelerada.
En primer lugar, el universo se expande a 74 km/seg/Mpc (Mpc es un megaparsec que equivale a 3,26 millones de años luz). Así que tomemos dos objetos pesados y colóquelos lejos de cualquier cúmulo de galaxias u otra influencia y espaciémoslos a solo un parsec (3,26 años luz). Entonces se separarán efectivamente a 7,4 cm/seg. Ahora imagine que su cuerda de filamento monomolecular entre los objetos ejerce una fuerza sobre los objetos que los desacelerará. Luego, durante el tiempo que están desacelerando, puede extraer trabajo de los objetos. Ese trabajo por segundo proviene de la fuerza que ejerce la cuerda aplicada sobre los 7,4 cm/seg que los objetos se están separando. Sin embargo, una vez que la fuerza hace que su velocidad relativa caiga a 0, no podrá obtener más energía de los objetos ya que ya no se separan.
Ahora, todo esto es solo de la expansión del espacio "Big Bang". Una vez que la fuerza de la cuerda ha llevado su velocidad relativa a cero, los dos objetos son como un sistema de enlace gravitacional y dejarán de "expandirse". Sin embargo, además de la expansión "estándar" del espacio, ahora sabemos que hay energía oscura que está provocando una expansión acelerada del universo. Esto significa que los dos objetos no solo se están "moviendo" a una velocidad constante de 7,4 cm/s, sino que esta velocidad en realidad aumenta con el tiempo. Entonces, si configura su cuerda de tal manera que la fuerza que ejerce sobre los objetos resulte en una desaceleración que es ligeramente menor que esta aceleración cósmica, puede extraer trabajo de forma continua e indefinida. Desafortunadamente, No he podido convertir las medidas de energía oscura en unidades de aceleración en este caso particular de objetos a un parsec. Sospecho que es un número pequeño, pero las estimaciones actuales son definitivamente positivas. Tenga en cuenta que si su cuerda ejerce más fuerza que causa una desaceleración mayor que la aceleración cósmica, los objetos finalmente dejarán de separarse y el trabajo que puede extraer se reducirá a cero nuevamente.
Tenga en cuenta que solo de la expansión normal del universo solo puede extraer una cantidad total finita de energía, pero que con la expansión acelerada puede extraer una cantidad pequeña pero positiva de energía por segundo para siempre. Sin embargo, su cuerda necesita alargarse más y más con el tiempo (a una velocidad de 7,4 cm/seg, en este ejemplo), así que, como dicen TANSTAFL (no existe tal cosa como un almuerzo gratis). La cuerda debe alargarse porque debe aplicar su muy pequeña fuerza a objetos en movimiento continuo para realizar el trabajo. Dado que se necesitará energía continua para hacer una cuerda que se alargue continuamente, y no puede ganar esta batalla comenzando con objetos que están más separados, ya que entonces la cuerda se alarga a un ritmo incluso más rápido que los 7,4 cm/seg de este ejemplo.
La conclusión es que creo que este proyecto de energía libre no es práctico, aunque es teóricamente posible. El problema que debe resolverse es el costo de energía de la cuerda que se alarga continuamente.
qmecanico