Tenga en cuenta la energía de radiación en la declaración "la energía total del universo es cero"

La energía total del universo consiste en la energía de masa de toda la materia (tanto normal como oscura), la energía de masa de la radiación y de la energía oscura más la energía potencial gravitatoria del universo (que es negativa). La hipótesis es que esto suma cero. Hasta donde yo sé, no hay evidencia experimental de esto.

Pero hay buena evidencia del tamaño de los diversos términos masa-energía. Las mejores estimaciones actuales son que la masa-energía del universo es:

• 73% -- Energía oscura
• 23% -- materia oscura
• 3,6% -- gas interestelar
• 0.4% -- Estrellas (incluye agujeros negros)
• v. pequeño -- neutrinos relativistas
• v. small -- Radiación (CMB y radiación estelar combinadas)

Este equilibrio cambia. A medida que el universo se expande, la densidad de la materia (oscura y normal) varía como la tercera potencia inversa del tamaño del universo. (La materia permanece igual y el volumen se expande como el cubo del radio).

Pero la densidad de la energía oscura se mantiene constante, ya que es una propiedad del espacio vacío.

La densidad de la radiación es proporcional a la inversa de la cuarta potencia del radio, porque no solo el aumento de volumen diluye la radiación como diluye la materia, sino que también la radiación se desplaza hacia el rojo, contribuyendo con una potencia extra del radio.

(Dicho sea de paso, eso significa que la fracción de la masa-energía total del universo en radiación disminuye con el tiempo, y actualmente se estima que es 1000:1 materia:radiación).

Así que la radiación parece simplemente ser demasiado pequeña para importar.

He leído en el libro de Hawking La teoría del todo que la energía total del Universo es cero.

no es verdad

Explicó esto diciendo que si hay dos cuerpos separados por una distancia y que tienen algo de masa, poseen energía potencial y la misma cantidad de energía negativa con el campo gravitatorio.

Eso tampoco es cierto. Si dejas que estos dos cuerpos caigan uno hacia el otro, su energía potencial gravitatoria se convierte en energía cinética. Luego, cuando los cuerpos chocan, parte de esta energía cinética se irradia y queda un déficit de masa . Pero tenga en cuenta que es sólo un déficit de masa. Los dos cuerpos no desaparecen y terminan como una nada de energía cero. Además, la energía del campo gravitatorio no es negativa, es positiva. Por eso Einstein dijo que “la energía del campo gravitatorio actuará gravitatoriamente de la misma forma que cualquier otro tipo de energía” .

El punto a tener en cuenta es que cuando lanzas un ladrillo de 1 kg al aire, estás trabajando en él. Le das energía cinética*. La gravedad luego convierte esta energía cinética en energía potencial gravitatoria, y el ladrillo se ralentiza. Tenga en cuenta que esta energía potencial gravitacional está en el ladrillo, no en el campo gravitatorio ni en ningún otro lugar. Trabajaste en el ladrillo, y cuando el ladrillo está en la parte superior de su arco, su masa es mayor. Por lo tanto, cuando el ladrillo cae a la Tierra, terminas con el déficit de masa. Por lo tanto, cuando lanzas el ladrillo hacia arriba a 11,7 km/s, tiene una velocidad de escape. Abandona el sistema, llevándose el valor original de 1 kg de energía de masa, junto con la equivalencia de masa de los 11,7 km/s de energía cinética.

Así concluyó que la energía total del Universo es cero.

Es basura popscience me temo. Hawking siempre salía con cosas así, y pocos lo criticarían por la silla de ruedas. Aquellos que lo hicieron tendieron a no recibir ninguna publicidad.

Pero aquí tengo una pregunta: ¿cómo explicamos la energía que está en forma de radiación?

Midiendo el CMBR. No hay mucha radiación en comparación con otras cosas. El artículo de revisión del universo sobre energía oscura dice que la radiación comprende solo alrededor del 0,005% de la masa-energía del universo.

^{* Si bien la conservación de la cantidad de movimiento p=mv significa que hubo un efecto en la Tierra, es muy leve. La energía cinética KE=½mv² no se comparte por igual porque la Tierra no se movió de manera detectable.}

Debe ser la misma situación que si tuviera pedazos de masa volando de la superficie de las dos masas en el modelo simple. No se necesitaría mucha energía cinética, en la enorme$mc^2$escala, para hacer que esos bits vuelen hasta el infinito en una energía potencial newtoniana, pero tendrías una enorme$mc^2$perdido de su sistema. Entonces, también debe tener una pérdida similar en la energía potencial gravitacional relativista general, si la energía era cero originalmente.

Entonces, la radiación perdida también debe representar una pérdida significativa de energía potencial, no solo el pequeño desplazamiento hacia el rojo gravitatorio. No sé cómo está contando Hawking la energía potencial para que la energía sea cero, pero no puede ser el potencial newtoniano simple. Recuerde que el cero en una escala de energía potencial generalmente no tiene consecuencias físicas, porque solo importan los cambios en el potencial, pero para que la energía total sea cero, debe tener alguna forma de obtener una escala relevante. Hay argumentos matemáticos mucho más formales disponibles, como http://www.prespacetime.com/index.php/pst/article/view/81, pero incluso estos son debatidos por expertos, quienes atribuyen diferentes grados de importancia a la capacidad de hacer que la energía total sea cero. No está del todo claro que la energía total sea una cantidad física relevante en la relatividad general, pero para aquellos que deseen que así sea, como hace Hawking, puede ser posible.

También tenga en cuenta que la pequeña energía en la radiación de hoy no es realmente relevante para esta pregunta, porque la pregunta se trata de originar un universo. Cuando se originó el universo, la radiación era extremadamente importante, por lo que la pregunta debe abordarse para cualquiera que desee que la energía sea cero. El problema real parece ser si ese es o no un objetivo importante en primer lugar.