Tengo entendido que existen teorías creíbles en las que la formación de una singularidad en un agujero negro también representa el comienzo de un nuevo universo a través de un big bang. No podemos ver el nuevo universo porque no podemos ver nada desde dentro de un agujero negro. Además, el tamaño aparente del agujero negro para nosotros no tiene que ser igual al tamaño del nuevo universo desde la perspectiva de alguien dentro de ese universo. Mi pregunta es, ¿se conserva masa+energía? Es decir, ¿la cantidad total de material dentro del nuevo universo se limita a la cantidad de material que ha caído en el agujero negro oa la cantidad de material que ha llegado a la singularidad? Si es así, parecería que estos universos de agujeros negros son solo una pequeña fracción del tamaño de nuestro propio universo.
¿Se conserva masa+energía?
Sí. Incluso en la relatividad general se conservan la energía y el momento, aunque es un poco más complicado que en la mecánica newtoniana.
¿La cantidad total de material dentro del nuevo universo está limitada a la cantidad de material que ha caído en el agujero negro oa la cantidad de material que ha llegado a la singularidad?
No. Bueno, más o menos. El físico cuyo trabajo vinculó en su pregunta abordó esto en un artículo de seguimiento. Su obra original (en la que se basó tu artículo) es: Cosmología con torsión: una alternativa a la inflación cósmica . Un seguimiento que discute la masa del nuevo universo es: Sobre la masa del Universo nacido en un agujero negro . En este artículo, afirma que si todo nuestro universo estuviera dentro de un agujero negro, el agujero negro solo tendría que tener 1000 masas solares.
Lo creas o no, esto no viola la conservación de la energía. De hecho, usa explícitamente la conservación de la energía en sus cálculos. La resolución de esta paradoja es que hay MUCHA energía en el campo gravitacional de un agujero negro.
En este modelo, la singularidad dentro del agujero negro nunca se forma. Se forma un horizonte de eventos cuando la materia colapsa, como era de esperar, pero dentro del horizonte el espacio-tiempo "rebota" antes de que tenga la oportunidad de formar una singularidad. A medida que la materia cae hacia adentro, su energía aumenta; acelera y aumenta su energía cinética debido al inmenso campo gravitatorio. Cuando llega al "universo" estacionario dentro, esta energía cinética se traduce en energía de masa en reposo: y si la materia estuvo acelerando durante el tiempo suficiente, el aumento de energía puede ser enorme. Esto le da al "universo" en el interior potencialmente mucha más masa que la materia que cayó. Este proceso se describe en el documento como la creación de pares de partículas-antipartículas por el campo gravitacional, lo que equivale al mismo efecto. De cualquier manera, tomas energía del campo gravitacional y la conviertes en energía (masa) de partículas dentro del horizonte. Alguien sentado fuera del agujero negro no se da cuenta de esto, porque solo puede medir la energía total y eso permanece constante.
Si es así, parecería que estos universos de agujeros negros son solo una pequeña fracción del tamaño de nuestro propio universo.
No exactamente. Dentro del horizonte de eventos, la loca deformación del espacio-tiempo puede hacer que el "universo" interno sea bastante grande. Como la TARDIS, algo mucho más grande por dentro :)
Estoy obligado a decir que todo este trabajo es muy teórico, sus conclusiones se basan en algunas suposiciones que no tenemos evidencia para respaldar, ¡pero es una idea genial!
Bajo el supuesto de que hay algún tipo de escenario de "Big Bang", entonces estamos asumiendo un universo en expansión. La relatividad general no requiere la conservación de masa-energía a escala universal en un espacio-tiempo cambiante (podría decirse que GR ni siquiera tiene un concepto de energía a escala universal), por lo que no hay una razón a priori por la que este agujero negro -el universo no puede ser comparable al nuestro (en cualquier sentido que escojamos).
Una forma sencilla de ver por qué se debe violar la conservación de la energía, incluso en el vacío, es observar primero que la densidad de energía del vacío es fija. Entonces, si el espacio-tiempo se está expandiendo (o contrayendo), entonces estamos cambiando el volumen total sin cambiar esta densidad de energía del vacío. Mantener la densidad igual pero aumentar el volumen significa más energía total; disminuir el volumen con la misma densidad significa menos energía total.
También podemos observar fácilmente esta violación. Puede que estés familiarizado con el concepto de corrimiento al rojo: la luz que te llega desde una fuente que se está alejando de ti (o emitida por una fuente gravitatoria) se desplaza hacia el lado rojo del espectro. Esto alarga la longitud de onda, por lo que la luz tiene menos energía. La energía no va a ninguna parte, simplemente se ha ido.
También podemos notar que, con el teorema de Noether en la mano, sabemos que la invariancia de la traducción del tiempo implica la conservación de la energía. Pero un espacio-tiempo no estático es inherentemente no invariante en la traducción del tiempo, por lo que no se requiere la conservación de la energía.
Bueno, algunos pueden tratar de recuperar la conservación de la energía afirmando que hay una energía del campo gravitacional a considerar. Esto no es adoptado por todos, pero se puede hacer si tiene cuidado con sus definiciones. Simplemente no funciona de manera tan general y fácil como podrías esperar ingenuamente.
HDE 226868