Согласно этой статье в Википедии , Вселенная расширяется адиабатически.
Однако любая система, расширяющаяся адиабатически, должна терять энергию.
Не нарушает ли это закон сохранения энергии, поскольку внутренняя энергия Вселенной уменьшается?
Для любой конечной системы, расширяющейся адиабатически, закон сохранения энергии не нарушается, поскольку система передает свою внутреннюю энергию в остальную часть Вселенной посредством работы.
Однако, если всю вселенную принять за систему, предполагая, что за ее пределами нет ничего (я не очень уверен в этом утверждении), куда уходит проделанная работа?
Примечание. Модель расширения без энергии с постоянной энергией будет подразумевать постоянную плотность энергии, умноженную на объем, поэтому , или .
Но модель адиабатического расширения предполагает , или , где является масштабным фактором .
Обратите внимание, что я ищу объяснение, которое можно понять без особых знаний в общей теории относительности.
Ну, есть несколько способов ответить на этот вопрос.
Предположим, вы рисуете воображаемый (сопутствующий) прямоугольник вокруг некоторой области пространства-времени. Объем этой коробки со временем увеличивается, так что вы можете думать о содержимом этой коробки, как о работе над остальной вселенной вне коробки.
Теперь вы можете сказать, что это неудовлетворительно, если мы хотим рассматривать вселенную как единое целое. В этом случае вы можете думать об энергии как о переходе всей гравитационной потенциальной энергии. Это совершенно хорошая картина в ньютоновском пределе.
Однако оказывается, что в общей теории относительности очень сложно сделать точным обозначение «гравитационной потенциальной энергии». Например, нельзя говорить о плотности потенциальной гравитационной энергии в точке, потому что всегда можно уйти в свободно падающую систему отсчета там, где наблюдаемое гравитационное поле равно нулю. По этой причине в учебниках по теории относительности обычно говорится, что гравитационная потенциальная энергия вообще не определена; вместо этого энергия (определяемая как не включающая эту дополнительную плохо определенную часть) просто не сохраняется в общей теории относительности. Энергия никуда не «уходит», она просто исчезает.
Если вы считаете, что это неприемлемо, помните, что единственная причина, по которой мы в 19 веке сделали сохранение энергии важным принципом, заключалась в том, что было замечено, что он работает в повседневных ситуациях. Мы никогда не проверяли его в экзотических ситуациях, таких как искривленное пространство-время, поэтому нет причин ожидать, что этот принцип продолжит действовать. На более глубоком уровне теорема Нётер говорит нам, что сохранение энергии связано с инвариантностью к переносу во времени, а в расширяющейся Вселенной этого нет.
Просто небольшое дополнение. Здесь важно, чтобы плотность энергии вакуума была постоянной во времени. Это означает, что если данный объем энергии вакуума расширяется, его плотность энергии остается постоянной, в отличие от того, что происходит, если вместо этого газ расширяется адиабатически. Это означает, что работа, проделанная для адиабатического расширения Вселенной, как раз достаточна для поддержания постоянной плотности энергии вакуума.
Архисман Паниграхи