La hipòtesi de l'univers d'energia zero proposa que la quantitat total d'energia a l'univers és exactament zero: la seva quantitat d'energia positiva en forma de matèria és exactament cancel·lada per la seva energia negativa en forma de gravetat. Alguns físics, com Lawrence Krauss, Stephen Hawking o Alexander Vilenkin, anomenen aquest estat "un univers del no-res", tot i que el model de l'univers d'energia zero requereix que existeixin tant un camp de matèria amb energia positiva com un camp gravitatori amb energia negativa. La hipòtesi es discuteix àmpliament en fonts populars.Edward P. Tryon, "Is the Universe a Vacuum Fluctuation?", Nature, vol. 246, p. 396–397, 1973.Berkeley Lab, Smoot Group – http://aether.lbl.gov – Inflation for Beginners, JOHN GRIBBIN archived, 2014 Altres exemples de cancel·lació inclouen la prevalença simètrica esperada dels moments angulars dextrogirs i esquerrògens dels objectes ("espín" en llenguatge comú), la planitud observada de l'univers, la prevalença igual de càrregues positives i negatives, l'espín oposat de les partícules en la mecànica quàntica, així com les crestes i les valls de les ones electromagnètiques, entre altres possibles exemples a la natura.
Història Durant la Segona Guerra Mundial, Pascual Jordan va ser el primer a suggerir que, com que l'energia positiva de la massa d'una estrella i l'energia negativa del seu camp gravitatori juntes poden tenir energia total zero, la conservació de l'energia no impediria que es creés una estrella per una transició quàntica del buit. George Gamow va relatar haver-li plantejat aquesta idea a Albert Einstein: "Einstein es va aturar en sec i, com que estàvem creuant un carrer, diversos cotxes van haver d'aturar-se per evitar atropellar-nos".Beyond Einstein: The Cosmic Quest for the Theory of the Universe - Michio Kaku, Jennifer Trainer Thompson - Oxford University Press, 1997 - p189 L'elaboració del concepte va ser lenta, i el primer càlcul notable el va realitzar Richard Feynman el 1962. La primera publicació coneguda sobre el tema va ser el 1973, quan Edward Tryon va proposar a la revista Nature que l'univers va sorgir d'una fluctuació quàntica a gran escala de l'energia del buit, cosa que va fer que la seva massa-energia positiva estigués exactament equilibrada per la seva energia potencial gravitatòria negativa.Edward P. Tryon, "Is the Universe a Vacuum Fluctuation?", Nature, vol. 246, p. 396–397, 1973. En les dècades següents, el desenvolupament del concepte va estar constantment afectat per la dependència de les masses calculades de la selecció dels sistemes de coordenades. En particular, sorgeix un problema a causa de l'energia associada als sistemes de coordenades que giren conjuntament amb tot l'univers. Una primera restricció es va derivar el 1987 quan Alan Guth va publicar una demostració que l'energia gravitatòria és negativa.Alan Guth, in his book The Inflationary Universe, () Appendix A. No es va entendre la qüestió del mecanisme que permetia la generació d'energia positiva i negativa a partir d'una solució inicial nul·la, i Stephen Hawking va proposar una solució ad hoc amb temps cíclic el 1988.Stephen Hawking, A Brief History of Time, p. 129."We might decide that there wasn't any singularity. The point is that the raw material doesn't really have to come from anywhere. When you have strong gravitational fields, they can create matter. It may be that there aren't really any quantities which are constant in time in the universe. The quantity of matter is not constant, because matter can be created or destroyed. But we might say that the energy of the universe would be constant, because when you create matter, you need to use energy. And in a sense the energy of the universe is constant; it is a constant whose value is zero. The positive energy of the matter is exactly balanced by the negative energy of the gravitational field. So the universe can start off with zero energy and still create matter. Obviously, the universe starts off at a certain time. Now you can ask: what sets the universe off. There doesn't really have to be any beginning to the universe. It might be that space and time together are like the surface of the Earth, but with two more dimensions, with degrees of latitude playing the role of time." – Stephen Hawking, "If There's an Edge to the Universe, There Must Be a God" (interview), in Renée Weber, Dialogues With Scientists and Sages: The Search for Unity, 1986. (Also partially reprinted in "God as the Edge of the Universe", in The Scientist, Vol. 1, No. 7, February 23, 1987, p. 15.)
El 1994, el desenvolupament de la teoria es va reprendre després de la publicació d'un treball de Nathan Rosen, en què Rosen descrivia un cas especial d'univers tancat. El 1995, JV Johri va demostrar que l'energia total de l'univers de Rosen és zero en qualsevol univers que compleixi amb una mètrica de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker, i va proposar un mecanisme de generació de matèria impulsada per la inflació en un univers jove. La solució d'energia zero per a l'espai de Minkowski que representa un univers observable es va proporcionar el 2009.
Al seu llibre Respostes breus a les grans preguntes, Hawking explica:
Les lleis de la física exigeixen l'existència d'una cosa anomenada "energia negativa".
Per ajudar-vos a entendre aquest concepte estrany però crucial, permeteu-me que us faci servir una analogia senzilla. Imagineu-vos un home que vol construir un turó en un terreny pla. El turó representarà l'univers. Per fer aquest turó, excava un forat a terra i utilitza aquesta terra per excavar el seu turó. Però, és clar, no només està fent un turó, sinó que també està fent un forat, en efecte una versió negativa del turó. El que hi havia al forat ara s'ha convertit en el turó, de manera que tot s'equilibra perfectament. Aquest és el principi que hi ha darrere del que va passar al principi de l'univers. Quan el Big Bang va produir una quantitat massiva d'energia positiva, va produir simultàniament la mateixa quantitat d'energia negativa. D'aquesta manera, el positiu i el negatiu sumen zero, sempre. És una altra llei de la natura. Aleshores, on és tota aquesta energia negativa avui? És al tercer ingredient del nostre llibre de cuina còsmic: és a l'espai. Pot semblar estrany, però segons les lleis de la natura relatives a la gravetat i el moviment —lleis que es troben entre les més antigues de la ciència— l'espai en si és una gran reserva d'energia negativa. Prou per garantir que tot sumi zero.
Algunes investigacions en cosmologia quàntica proporcionen una realització concreta de la hipòtesi de l'univers d'energia zero.
Restriccions experimentals La prova experimental que l'univers observable és un "univers d'energia zero" actualment no és concloent. L'energia gravitatòria de la matèria visible representa entre el 26 i el 37% de la densitat total de massa-energia observada. Per tant, per ajustar el concepte d'un "univers d'energia zero" a l'univers observat, calen altres reserves d'energia negativa a més de la gravetat de la matèria bariònica. Sovint se suposa que aquestes reserves són matèria fosca.
Referències
Categoria:Cosmologia Categoria:Astrofísica