Universo de energía cero

La hipótesis del universo de energía cero propone que la cantidad total de energía en el universo es exactamente cero : su cantidad de energía positiva en forma de materia se cancela exactamente con su energía negativa en forma de gravedad . ^{[ 1 ]} Algunos físicos, como Lawrence Krauss , Stephen Hawking o Alexander Vilenkin , llaman o llamaron a este estado "un universo de la nada", aunque el modelo del universo de energía cero requiere que existan tanto un campo de materia con energía positiva como un campo gravitatorio con energía negativa. ^{[ 2 ]} La hipótesis se discute ampliamente en fuentes populares. ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]} Otros ejemplos de cancelación incluyen la prevalencia simétrica esperada de los momentos angulares dextrógiros y levógiros de los objetos ("espín" en el lenguaje común), la planitud observada del universo , la prevalencia igual de cargas positivas y negativas, el espín opuesto de las partículas en mecánica cuántica, así como las crestas y valles de las ondas electromagnéticas, entre otros posibles ejemplos en la naturaleza.

Durante la Segunda Guerra Mundial, Pascual Jordan sugirió por primera vez que, dado que la energía positiva de la masa de una estrella y la energía negativa de su campo gravitatorio juntas pueden tener una energía total cero, la conservación de la energía no impediría que una estrella se creara mediante una transición cuántica del vacío. George Gamow relató haberle planteado esta idea a Albert Einstein : «Einstein se detuvo en seco y, como estábamos cruzando una calle, varios coches tuvieron que parar para evitar atropellarnos». ^{[ 6 ]} La elaboración del concepto fue lenta, y el primer cálculo notable lo realizó Richard Feynman en 1962. ^{[ 7 ]} La primera publicación conocida sobre el tema fue en 1973, cuando Edward Tryon propuso en la revista Nature que el universo surgió de una fluctuación cuántica a gran escala de la energía del vacío , lo que resultó en que su masa-energía positiva se equilibrara exactamente con su energía potencial gravitatoria negativa . ^{[ 4 ]} En las décadas siguientes, el desarrollo del concepto se vio constantemente afectado por la dependencia de las masas calculadas de la selección de los sistemas de coordenadas. En particular, surge un problema debido a la energía asociada con sistemas de coordenadas que corrotan con todo el universo. ^{[ 7 ]} Una primera restricción se derivó en 1987 cuando Alan Guth publicó una prueba de que la energía gravitacional es negativa. ^{[ 8 ]} La cuestión del mecanismo que permite la generación de energía tanto positiva como negativa a partir de una solución inicial nula no se comprendía, y Stephen Hawking propuso una solución ad hoc con tiempo cíclico en 1988. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

En 1994, el desarrollo de la teoría se reanudó ^{[ 11 ]} tras la publicación de un trabajo de Nathan Rosen , ^{[ 12 ]} en el que Rosen describió un caso especial de universo cerrado. En 1995, JV Johri demostró que la energía total del universo de Rosen es cero en cualquier universo que cumpla con una métrica de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker , y propuso un mecanismo de generación de materia impulsada por la inflación en un universo joven. ^{[ 13 ]} La solución de energía cero para el espacio de Minkowski que representa un universo observable se proporcionó en 2009. ^{[ 7 ]}

En su libro Breves respuestas a las grandes preguntas , Hawking explica:

Las leyes de la física exigen la existencia de algo llamado " energía negativa ".

Para ayudarte a comprender este concepto extraño pero crucial, permíteme usar una analogía sencilla. Imagina que un hombre quiere construir una colina en un terreno plano. La colina representará el universo. Para construirla, cava un hoyo en el suelo y usa esa tierra para excavarla. Pero, por supuesto, no solo está creando una colina, sino también un hoyo, en efecto, una versión negativa de la colina. Lo que estaba en el hoyo se ha convertido ahora en la colina, por lo que todo se equilibra perfectamente. Este es el principio que explica lo que sucedió al principio del universo. Cuando el Big Bang produjo una enorme cantidad de energía positiva, produjo simultáneamente la misma cantidad de energía negativa. De esta manera, lo positivo y lo negativo se suman siempre a cero. Es otra ley de la naturaleza. Entonces, ¿dónde está toda esta energía negativa hoy? Está en el tercer ingrediente de nuestro libro de cocina cósmico: está en el espacio. Esto puede sonar extraño, pero según las leyes de la naturaleza relativas a la gravedad y el movimiento —leyes que se encuentran entre las más antiguas de la ciencia— el espacio mismo es un vasto depósito de energía negativa. Suficiente para asegurar que todo sume cero. ^{[ 14 ]}

Algunas investigaciones en cosmología cuántica proporcionan una realización concreta de la hipótesis del universo de energía cero. ^{[ 15 ]}

Actualmente, la evidencia experimental de que el universo observable sea un "universo de energía cero" no es concluyente. La energía gravitacional de la materia visible representa entre el 26 % y el 37 % de la densidad de masa-energía total observada. ^{[ 16 ]} Por lo tanto, para que el concepto de "universo de energía cero" se ajuste al universo observado, se necesitan otros reservorios de energía negativa además de la gravedad de la materia bariónica. Con frecuencia se asume que estos reservorios son materia oscura . ^{[ 17 ]}

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