Открывает ли тот факт, что энергия не сохраняется в космологии, возможность создания новой материи/атомов во Вселенной?

В этом ответе я буду обсуждать глобальное среднее состояние материи во Вселенной, описываемое космологическими моделями, такими как модели лямбда-CDM, которые предполагают однородность и изотропию. Это означает, что я не обсуждаю экстремальные колебания или такие вещи, как мозг Больцмана, о которых говорится в ответе AVS.

Открывает ли тот факт, что энергия не сохраняется в космологии, возможность создания новой материи/атомов во Вселенной?

Создание новой барионной материи серьезно рассматривалось в контексте модели стационарного состояния, которую отстаивали Хойл, Бонди и Голд примерно до середины 1960-х годов, когда доказательства горячего большого взрыва разрушили модель стационарного состояния. . Одна из проблем стационарных моделей заключалась в том, что они должны были нарушать лоренц-инвариантность, поскольку для вновь созданных атомов водорода должно было существовать какое-то предпочтительное состояние движения. (Они также нарушают зарядовое сопряжение и симметрию обращения времени.)

Вы правы в том, что в общей теории относительности масса-энергия сохраняется не глобально, а точно локально в том смысле, что дивергенция$\nabla_a T^a{}_b$тензора энергии-импульса равен нулю.

Наша Вселенная в настоящее время довольно хорошо аппроксимируется пространством-временем де Ситтера, и, согласно современным теориям, ожидается, что она останется такой навсегда. Для простоты предположим на мгновение, что геометрия Вселенной должна быть в точности де Ситтеровской. Это было то, что Хойл и др. хотели, потому что хотели, чтобы все эпохи Вселенной выглядели одинаково, а вселенная де Ситтера — единственная космологическая модель, обладающая такой симметрией. Это кажется очень похожим на физическую мотивацию вашего вопроса, которая заключалась в том, сможет ли Вселенная избежать судьбы, в которой в основном не было ничего, кроме темной энергии.

Для пространства-времени де Ситтера расходимость тензора энергии-импульса имеет времениподобную компоненту, равную

куда$a$- масштабный фактор, описывающий космологическое расширение,$\rho$- плотность массы-энергии, а$P$это давление. (Это все в единицах, где$c=1$.) По этой причине мы должны иметь

повсюду. Темная энергия удовлетворяет этому условию, а барионная материя — нет. Поэтому создание новой барионной материи в космологическом расширении в пространстве-времени де Ситтера невозможно.

Если вы такой хитрый теоретик, как Хойл, и ищете способ обойти это ограничение, выход есть: постулировать существование поля с$\rho=0$и$P<0$. Хойл назвал это поле С. Затем, если вы добавите вклады в энергию напряжения от поля C и барионной материи, вы можете получить$\rho+P=0$.

Хотя темная энергия в настоящее время является доминирующей формой энергии массы во Вселенной, реалистичные космологические модели включают другие поля материи, включая барионную материю. Таким образом, эти модели не имеют в точности геометрии пространства де Ситтера. Это усложняет ситуацию по сравнению с аргументом, приведенным выше, но вывод остается тем же. Согласно этим моделям, вы не можете получить новую барионную материю, не нарушая локального сохранения массы-энергии, которая встроена в структуру общей теории относительности.

Если вы попытаетесь построить модель, производящую новую барионную материю, не нарушая локального сохранения массы-энергии, то, насколько мне известно, вы однозначно приведете к чему-то вроде теории «С-поля» Хойла, и тогда у вас возникнут все проблемы эта теория, включая нарушение лоренц-инвариантности и несовместимость с наблюдениями, такими как космический микроволновый фон. Для получения дополнительной информации о (неудачных) попытках примирить такие теории с современными знаниями см. эту веб-страницу Неда Райта. У меня также есть математическое обсуждение стационарной модели в разделе 8.4 моей собственной книги по ОТО .

Мой вопрос вызвала идея Вечной Инфляции. Новая материя создается во вновь созданных пузырьковых вселенных. Конечно, это очень спекулятивно, но как неспециалист я задаюсь вопросом, возможно ли это, поскольку энергия не сохраняется.

Энергия сохраняется локально . Он просто не сохраняется глобально. Ответ Джона Ренни объясняет, почему инфляция не является исключением.

Почти наверняка нет.

На данный момент несохранение энергии — это в основном производство темной энергии. То есть, поскольку плотность темной энергии постоянна (по крайней мере, так кажется), расширение Вселенной создает новую темную энергию из ниоткуда. Если бы темная энергия могла преобразоваться в материю, то это могло бы создать новую материю. Однако нет никаких доказательств, ни экспериментальных, ни теоретических, что это может произойти.

Сказав это, если какая-либо из различных теорий инфляции окажется верной, то процесс, очень похожий на этот, ответственен за всю материю во Вселенной. Когда поле инфлатона распалось в конце инфляции, конечными продуктами этого распада стали частицы, которые мы видим вокруг себя сегодня. Однако обратите внимание, что (а) плотность энергии поля инфлатона была значительно выше, чем плотность темной энергии, и (б) все это в высшей степени спекулятивно, поскольку мы понятия не имеем, что такое поле инфлатона, если оно вообще существовало.

Ответ положительный, даже если мы предположим, что нет создания материи непосредственно из темной энергии. Хотя в нынешнюю космологическую эпоху количество вещества, которое могло бы быть таким образом создано, на много порядков ниже порога обнаружения. Однако сопутствующие процессы могут стать актуальными в очень-очень далеком будущем Вселенной.

Путь прост: космологический горизонт + квантовая механика = создание материи. Это тот же принцип, который стоит за излучением Хокинга черных дыр, только в космологических масштабах. И в отличие от излучения Хокинга, уменьшающего массу черной дыры, что в конечном итоге приводит к ее испарению, это рождение частиц является следствием неограниченного ускоренного космологического расширения и будет продолжаться вечно.

Основной движущей силой ускоренного космологического расширения является темная энергия . Если мы предположим, что она действительно стабильна, что она соответствует ненулевой космологической постоянной , то в конечном итоге Вселенная войдет в фазу де Ситтера, где причинный участок Вселенной будет иметь стабильный горизонт событий с фиксированной температурой. Если большая часть другой материи внутри этого участка Вселенной распадается, большая часть того, что осталось (например, электроны и позитроны), уносится за пределы космологического горизонта экспоненциально расширяющейся Вселенной, черные дыры испаряются , то в такие поздние времена большая часть содержимого любой причинно связанный участок Вселенной был бы излучением Гиббонса-Хокинга при фиксированной температуре$T_{\rm dS}= H_{*}/2\pi$, куда$H_* = \sqrt{\Lambda/3}$- постоянный параметр Хаббла и$\Lambda$является космологической постоянной. Это излучение, наполняющее Вселенную, и есть новосотворенная материя, и оно потенциально может содержать барионную материю, в том числе довольно сложные структуры. Конечно, для большинства причинных пятен его содержание было бы довольно скучным: фотоны/гравитоны чрезвычайно больших длин волн и очень-очень редко изредка какие-то массивные элементарные частицы. Но поскольку Вселенная продолжает свое экспоненциальное расширение, количество таких пятен будет продолжать расти. И хотя вероятность любого нетривиального содержимого в том или ином локальном патче остается очень малой, общее количество «попыток» будет продолжать расти. Итак, если мы подождем достаточно долго, среди материи, созданной в этой вселенной, могут быть разумные наблюдатели (так называемые больцмановские мозги ). Например, здесьимеется оценка вероятности появления больцмановского мозга в результате флуктуации:$\exp(-10^{42})$, поэтому вероятное время для первого появления мозга Больцмана будет$\exp(10^{42}) \,\text{Gyr}$. И если бы наша Вселенная существовала неограниченное количество времени в будущем, то большинство разумных наблюдателей возникало бы из таких флуктуаций. Кажется, многих людей эта (потенциальная) ситуация беспокоит:

• Пейдж, Д. Н. (2008). Может ли наша Вселенная распасться в течение 20 миллиардов лет? Physical Review D, 78(6), 063535, doi , arXiv .

• Буссо, Р., и Фрейвогель, Б. (2007). Парадокс в глобальном описании мультивселенной. Журнал физики высоких энергий, 2007(06), 018, doi , arXiv .

Такое будущее состояние Вселенной, строго говоря, нельзя было бы назвать «тепловой смертью», так как при постоянной положительной температуре происходит ненулевое рождение частиц и поскольку, если мы подождем достаточно долго, мы могли бы наблюдать сколь угодно большие флуктуации, однако большую часть времени почти каждый каузальный участок Вселенной был бы почти пустым (по сравнению с современной Вселенной), поэтому с точки зрения современной жизни это состояние можно было бы назвать «тепловой комой».

Конечно, в настоящее время температура, связанная с космологическим горизонтом, на много порядков меньше температуры сверхмассивных черных дыр, не говоря уже о температуре многих других астрофизических подсистем, так что любая материя, созданная этим механизмом, будет заглушена шумом многие другие процессы происходят сейчас, поэтому времена, когда эти эффекты могут стать актуальными, находятся в очень отдаленном будущем.

Конечно, ответ Джона Ренни правильный, я просто хотел бы добавить несколько вещей.

Новая материя была создана во время образования пар в ранней Вселенной с другим явлением, называемым барионной асимметрией.

Теперь, с точки зрения создания материи, во Вселенной постоянно происходит рождение пар, просто подумайте о нейтроне, внутри него море кварков, где пары кварк-антикварк создаются и аннигилируют.

Это барионная асимметрия, которую мы больше не наблюдаем во Вселенной, и без нее, насколько нам известно, не создается новой материи (нормальной материи). Мы не знаем о темной материи, создается ли она. Это темная энергия, которая создается в расширяющейся Вселенной с постоянной плотностью.

По сути, для создания новой материи барионной асимметрии потребуются гораздо более высокие энергетические уровни, чем мы имеем сейчас.

Пожалуйста, посмотрите на этот вопрос и ответ:

Барионная асимметрия продолжается

Нарушение барионного числа, одно из условий барионной асимметрии, происходит со значительной скоростью в Стандартной модели только при высоких температурах, намного выше известных во Вселенной.

Мы знаем экспериментально, что любые другие процессы, нарушающие барионное число, должны быть довольно редкими и/или происходить только в экстремальных условиях, поскольку мы их еще не наблюдали.

Теоретически черные дыры нарушают закон сохранения барионного числа. У черных дыр нет барионного числа, поэтому, когда барион падает в черную дыру, его барионное число теряется. Если учесть, что нейтронная звезда коллапсирует в черную дыру и что происходит после этого, довольно легко убедить себя, что барионное число не может сохраняться.