Según este artículo de Wikipedia , el universo se está expandiendo adiabáticamente.
Sin embargo, cualquier sistema que se expanda adiabáticamente debe estar perdiendo energía.
¿No viola esto la conservación de la energía, ya que la energía interna del universo está disminuyendo?
Para cualquier sistema finito que se expanda adiabáticamente, la conservación de la energía no se viola ya que el sistema transfiere su energía interna al resto del universo a través de la forma de trabajo.
Sin embargo, cuando se toma como sistema a todo el universo, asumiendo que no hay nada fuera de él (no estoy muy seguro de esta afirmación), ¿hacia dónde va el trabajo realizado?
Nota: Un modelo de expansión libre de energía constante implicará que la densidad de energía multiplicada por el volumen es constante, por lo que , o .
Pero el modelo de expansión adiabático implica , o , dónde es el factor de escala .
Tenga en cuenta que estoy buscando una explicación que pueda entenderse sin mucho conocimiento en relatividad general.
Bueno, hay algunas maneras de responder a esta pregunta.
Suponga que dibuja una caja imaginaria (que se mueve) alrededor de alguna región del espacio-tiempo. El volumen de esta caja se expande con el tiempo, por lo que puedes pensar que el contenido de esta caja realiza un trabajo sobre el resto del universo, fuera de la caja.
Ahora, podrías decir que esto no es satisfactorio si queremos considerar el universo como un todo. En ese caso, puedes pensar que la energía se convierte en energía potencial gravitatoria. Esta es una imagen perfectamente buena en el límite newtoniano.
Sin embargo, resulta que en la relatividad general es muy difícil precisar la notación de "energía potencial gravitatoria". Por ejemplo, no se puede hablar de la densidad de energía potencial gravitatoria en un punto, porque siempre se puede entrar en un marco de caída libre allí, donde el campo gravitatorio observado es cero. Por esta razón, los libros de texto de relatividad generalmente dicen que la energía potencial gravitatoria no está definida en absoluto; en cambio, la energía (definida como que no incluye esta pieza extra mal definida) simplemente no se conserva en la relatividad general. La energía no "va" a ninguna parte, simplemente se desvanece.
Si cree que esto es inaceptable, recuerde que la única razón por la que elevamos la conservación de la energía a un principio importante en el siglo XIX fue que se observó que funcionaba en situaciones cotidianas. Nunca lo probamos en situaciones exóticas como aquellas con espacio-tiempo curvo, por lo que no hay razón para esperar que el principio continúe. A un nivel más profundo, el teorema de Noether nos dice que la conservación de la energía está relacionada con la invariancia de la traducción del tiempo, y no tenemos eso en un universo en expansión.
Sólo una pequeña adición. Aquí es crucial que la densidad de la energía del vacío sea constante en el tiempo. Esto significa que si un volumen dado de energía de vacío se expande, su densidad de energía permanece constante, en contraste con lo que sucede si el gas se expande adiabáticamente. Esto significa que el trabajo realizado para expandir adiabáticamente el universo es suficiente para mantener constante la densidad de energía del vacío.
Archisman Panigrahi