Eröffnet die Tatsache, dass Energie in der Kosmologie nicht konserviert wird, die Möglichkeit, dass neue Materie/Atome im Universum geschaffen werden?

In dieser Antwort werde ich den globalen Durchschnittszustand der Materie im Universum diskutieren, wie er von kosmologischen Modellen wie Lambda-CDM-Modellen beschrieben wird, die Homogenität und Isotropie annehmen. Das bedeutet, dass ich nicht über extreme Schwankungen oder Dinge wie Boltzmann-Gehirne spreche, über die in der Antwort von AVS gesprochen wird.

Eröffnet die Tatsache, dass Energie in der Kosmologie nicht konserviert wird, die Möglichkeit, dass neue Materie/Atome im Universum erschaffen werden?

Die Schaffung neuer baryonischer Materie wurde im Kontext des Steady-State-Modells, das von Hoyle, Bondi und Gold bis etwa Mitte der 1960er Jahre befürwortet wurde, ernsthaft in Betracht gezogen, als Beweise für einen heißen Urknall das Steady-State-Modell zerstörten . Eines der Probleme bei Steady-State-Modellen bestand darin, dass sie die Lorentz-Invarianz verletzen mussten, da es einen bevorzugten Bewegungszustand für die neu erzeugten Wasserstoffatome geben musste. (Sie verletzen auch die Ladungskonjugation und die Zeitumkehrsymmetrien.)

Sie haben Recht, dass Masse-Energie in der Allgemeinen Relativitätstheorie nicht global konserviert wird, aber sie ist genau lokal konserviert in dem Sinne, dass die Divergenz$\nabla_a T^a{}_b$des Spannungs-Energie-Tensors ist Null.

Unser Universum wird derzeit ziemlich gut von der de Sitter-Raumzeit angenähert, und es wird erwartet, dass dies nach aktuellen Theorien für immer so bleibt. Nehmen wir der Einfachheit halber an, dass die Geometrie des Universums exakt de Sitter entsprechen muss. Das war es, was Hoyle et al. wollten, weil sie wollten, dass alle Epochen des Universums gleich aussehen, und das de Sitter-Universum ist das einzige kosmologische Modell, das diese Symmetrie hat. Dies scheint der physikalischen Motivation für Ihre Frage ziemlich ähnlich zu sein, ob es dem Universum möglich wäre, ein Schicksal zu vermeiden, in dem es im Grunde nichts als dunkle Energie gibt.

Für die de Sitter-Raumzeit hat die Divergenz des Spannungs-Energie-Tensors eine zeitartige Komponente gleich

wo$a$ist der Skalenfaktor, der die kosmologische Expansion beschreibt,$\rho$ist die Masse-Energie-Dichte, und$P$ist der Druck. (Dies ist alles in Einheiten, wo$c=1$.) Aus diesem Grund müssen wir haben

überall. Dunkle Energie erfüllt diese Bedingung, baryonische Materie jedoch nicht. Daher ist es nicht möglich, dass in der kosmologischen Expansion in der de Sitter-Raumzeit neue baryonische Materie entsteht.

Wenn Sie ein schlauer Theoretiker wie Hoyle sind und nach einem Weg suchen, dieser Einschränkung zu entkommen, gibt es einen Ausweg, der darin besteht, die Existenz eines Feldes mit zu postulieren$\rho=0$und$P<0$. Hoyle nannte dies das C-Feld. Wenn Sie dann die Beiträge zur Stressenergie aus dem C-Feld und der baryonischen Materie hinzufügen, können Sie am Ende erhalten$\rho+P=0$.

Obwohl dunkle Energie derzeit die vorherrschende Form von Masse-Energie im Universum ist, beinhalten realistische kosmologische Modelle andere Materiefelder, einschließlich baryonischer Materie. Diese Modelle haben daher nicht exakt die Geometrie des de Sitter-Raums. Das verkompliziert die Dinge im Vergleich zu dem oben angegebenen Argument, aber die Schlussfolgerung ist immer noch die gleiche. Nach diesen Modellen kann man keine neue baryonische Materie produzieren, ohne die lokale Erhaltung der Masse-Energie zu verletzen, die in die Struktur der allgemeinen Relativitätstheorie eingebrannt ist.

Wenn Sie versuchen, ein Modell zu konstruieren, das neue baryonische Materie erzeugt, ohne die lokale Erhaltung der Masse-Energie zu verletzen, dann werden Sie meines Wissens auf einzigartige Weise zu etwas wie Hoyles "C-Feld" -Theorie geführt, und dann haben Sie alle Probleme von diese Theorie, einschließlich Verletzung der Lorentz-Invarianz und Inkompatibilität mit Beobachtungen wie dem kosmischen Mikrowellenhintergrund. Weitere Informationen zu (gescheiterten) Versuchen, solche Theorien mit modernem Wissen in Einklang zu bringen, finden Sie auf dieser Webseite von Ned Wright. Ich habe auch eine mathematische Diskussion des Steady-State-Modells in Abschnitt 8.4 meines eigenen GR-Buchs .

Was meine Frage aufgeworfen hat, ist die Idee der ewigen Inflation. Neue Materie wird in den neu erschaffenen Blasenuniversen erschaffen. Natürlich ist das hochspekulativ, aber als Laie frage ich mich, ob es möglich ist, da Energie nicht erhalten wird.

Energie wird lokal eingespart. Es ist einfach nicht global konserviert. Die Antwort von John Rennie erklärt, warum die Inflation keine Ausnahme darstellt.

Mit ziemlicher Sicherheit nicht.

Im Moment ist die Nichterhaltung von Energie hauptsächlich die Produktion von dunkler Energie. Das heißt, da die Dichte der dunklen Energie konstant ist (zumindest scheint dies der Fall zu sein), erzeugt die Expansion des Universums neue dunkle Energie aus dem Nichts. Wenn dunkle Energie in Materie umgewandelt werden könnte, könnte dies neue Materie erzeugen. Es gibt jedoch weder experimentell noch theoretisch Beweise dafür, dass dies passieren kann.

Wenn sich jedoch eine der verschiedenen Inflationstheorien als richtig herausstellt, dann ist ein ähnlicher Prozess für die gesamte Materie im Universum verantwortlich. Als das Inflationsfeld am Ende der Inflation zerfiel, waren die letztendlichen Endprodukte dieses Zerfalls die Partikel, die wir heute um uns herum sehen. Beachten Sie jedoch, dass (a) die Energiedichte des Inflationsfeldes weitaus größer war als die Dichte der dunklen Energie und (b) dies alles höchst spekulativ ist, da wir keine Ahnung haben, was das Inflationsfeld war, falls es überhaupt existierte.

Die Antwort ist ja, auch wenn wir davon ausgehen, dass es keine Erschaffung von Materie direkt aus der dunklen Energie gibt. Obwohl in der gegenwärtigen kosmologischen Epoche die Menge der Materie, die auf diese Weise erzeugt werden könnte, viele Größenordnungen unter der Nachweisschwelle liegt. Die damit verbundenen Prozesse könnten jedoch in der sehr sehr sehr fernen Zukunft des Universums relevant werden.

Der Weg ist einfach: kosmologischer Horizont + Quantenmechanik = Materie-Erschaffung. Es ist das gleiche Prinzip, das hinter der Hawking-Strahlung von Schwarzen Löchern steckt, nur im kosmologischen Maßstab. Und im Gegensatz zur Hawking-Strahlung, die die Masse des Schwarzen Lochs verringert, was schließlich zu seiner Verdampfung führt, ist diese Partikelerzeugung eine Folge der unbegrenzt beschleunigten kosmologischen Expansion und würde ewig andauern.

Die Hauptantriebskraft hinter der beschleunigten kosmologischen Expansion ist die Dunkle Energie . Wenn wir davon ausgehen, dass es wirklich stabil ist, dass es einer kosmologischen Konstante ungleich Null entspricht , dann würde das Universum schließlich in die de Sitter-Phase eintreten, in der der kausale Fleck des Universums einen stabilen Ereignishorizont mit einer festen Temperatur hätte. Wenn der größte Teil der anderen Materie in diesem Fleck des Universums zerfällt, das meiste, was übrig bleibt (wie Elektronen und Positronen), durch das exponentiell expandierende Universum aus dem kosmologischen Horizont getragen wird, schwarze Löcher verdampfen , dann verdunstet zu so späten Zeiten der größte Teil des Inhalts jeder kausal zusammenhängende Fleck des Universums wäre Gibbons-Hawking-Strahlung bei einer festen Temperatur$T_{\rm dS}= H_{*}/2\pi$, wo$H_* = \sqrt{\Lambda/3}$ist der konstante Hubble-Parameter und$\Lambda$kosmologische Konstante ist. Diese Strahlung, die das Universum erfüllt, ist genau die neu geschaffene Materie, und sie kann möglicherweise Baryonenmaterie einschließlich ziemlich komplexer Strukturen enthalten. Natürlich wäre der Inhalt für die Mehrheit der kausalen Patches eher langweilig: Photonen/Gravitonen von extrem großen Wellenlängen und sehr, sehr selten gelegentlich einige massive Elementarteilchen. Aber während das Universum seine exponentielle Expansion fortsetzt, würde die Zahl solcher Flecken weiter zunehmen. Und während die Wahrscheinlichkeit irgendwelcher nicht-trivialer Inhalte in einem gegebenen lokalen Patch sehr gering bleibt, würde die Gesamtzahl der „Versuche“ weiter wachsen. Wenn wir also lange genug warten, könnten unter der in diesem Universum geschaffenen Materie empfindungsfähige Beobachter sein (sogenannte Boltzmann-Gehirne ). Zum Beispiel hierEs gibt eine Schätzung einer Wahrscheinlichkeit für das Auftreten eines Boltzmann-Gehirns als Folge von Fluktuation:$\exp(-10^{42})$, also wäre der wahrscheinliche Zeitpunkt für das erste Auftauchen des Boltzmann-Gehirns$\exp(10^{42}) \,\text{Gyr}$. Und wenn unser Universum in der Zukunft unbegrenzt lange existieren würde, dann würden die meisten empfindungsfähigen Beobachter aus solchen Schwankungen entstehen. Viele Leute scheinen diese (potenzielle) Situation als störend zu empfinden:

• Seite, DN (2008). Wird unser Universum wahrscheinlich innerhalb von 20 Milliarden Jahren zerfallen? Physical Review D, 78(6), 063535, doi , arXiv .

• Bousso, R., & Freivogel, B. (2007). Ein Paradoxon in der globalen Beschreibung des Multiversums. Journal of High Energy Physics, 2007(06), 018, doi , arXiv .

Ein solcher zukünftiger Zustand des Universums könnte streng genommen nicht als „Wärmetod“ bezeichnet werden, da es bei konstant positiver Temperatur eine Teilchenbildung ungleich Null gibt und wir, wenn wir lange genug warten, beliebig große Schwankungen beobachten könnten, jedoch für die meiste Zeit fast jeder kausale Fleck des Universums wäre fast leer (im Vergleich zum heutigen Universum), so dass dieser Zustand aus der Sicht des heutigen Lebens als „Hitzekoma“ bezeichnet werden könnte.

Natürlich ist die mit dem kosmologischen Horizont verbundene Temperatur derzeit um viele Größenordnungen kleiner als die Temperaturen supermassiver Schwarzer Löcher, ganz zu schweigen von den Temperaturen vieler anderer astrophysikalischer Subsysteme, sodass jede durch diesen Mechanismus erzeugte Materie vom Rauschen übertönt würde Viele andere Prozesse finden derzeit statt, sodass die Zeiten, in denen diese Auswirkungen relevant werden könnten, in sehr ferner Zukunft liegen.

Natürlich ist die Antwort von John Rennie richtig, ich möchte nur ein paar Dinge hinzufügen.

Neue Materie wurde während der Paarbildung im frühen Universum mit einem anderen Ereignis namens Baryonen-Asymmetrie geschaffen.

Nun, was die Erzeugung von Materie anbelangt, findet im Universum kontinuierlich Paarbildung statt, denken Sie nur an ein Neutron, darin das Meer von Quarks, in dem Quark-Antiquark-Paare erzeugt und vernichtet werden.

Es ist die Baryonen-Asymmetrie, die wir im Universum nicht mehr beobachten, und ohne sie entsteht unseres Wissens nach keine neue Materie (normale Materie). Wir wissen nichts über dunkle Materie, wenn sie erschaffen wird. Es ist dunkle Energie, die im expandierenden Universum mit konstanter Dichte erzeugt wird.

Im Grunde würde die Baryonen-Asymmetrie viel viel höhere Energieniveaus benötigen, die wir jetzt haben, um neue Materie zu erschaffen.

Bitte sehen Sie sich diese Frage und die Antwort an:

Die Baryonen-Asymmetrie dauert noch an

Die Verletzung der Baryonenzahl, eine der Voraussetzungen für die Baryonenasymmetrie, tritt im Standardmodell nur bei hohen Temperaturen mit einer signifikanten Rate auf, viel höher als bekanntermaßen im Universum.

Wir wissen experimentell, dass alle anderen Prozesse, die die Baryonenzahl verletzen, ziemlich selten sein müssen und/oder nur unter extremen Bedingungen auftreten, da wir noch keine beobachtet haben.

Theoretisch verletzen Schwarze Löcher die Erhaltung der Baryonenzahl. Schwarze Löcher haben keine Baryonenzahl, und wenn ein Baryon in ein Schwarzes Loch fällt, geht seine Baryonenzahl verloren. Wenn Sie sich vorstellen, dass ein Neutronenstern in ein Schwarzes Loch kollabiert und was danach passiert, ist es ziemlich einfach, sich davon zu überzeugen, dass die Baryonenzahl unmöglich erhalten werden kann.