Nollaenergiauniversumi

Nollaenergiauniversumi on teoria, joka esittää että kaikkeuden kokonaisenergia on täsmälleen nolla. Universumin materiamuodossa oleva positiivinen energia kumoutuu täydellisesti kaikkeuden gravitaatiomuodossa olevalla negatiivisella energialla .^[1]^[2]

Teorian esitti vuonna 1854 William Thomson:

Vuonna 1854 Thomson oli omaksunut näkökannan, jonka mukaan 'painovoiman potentiaalienergia saattaa olla todellisuudessa kaiken liikkeen, lämmön ja valon täydellinen korrelaatti nykyisessä maailmankaikkeudessa'. Toisin sanoen painovoiman potentiaalienergia olisi ' universumin kaiken energian alkuperäismuoto'.^[3] Tällainen spekulaatio varmisti hänen teologiansa luonnosta, jossa Jumala oli alussa luonut absoluuttisella voimallaan energian nimeltä ex nihilo ja oli ylläpitänyt sen määrän.^[4]

Ilmaisen lounaan tulkinta muokkaa

Kosmisen inflaation yleinen ominaisuus on inflaatio-alueen sisällä säilyvä tasapaino negatiivisen gravitaatio-energian ja inflaton kentän positiivisen energian välillä. Tästä seuraa inflaation jälkeinen universumi, jossa energian tiheys on mitättömän pieni tai nolla.^[5]^[6] Tämä universumin totaalienergiabudjetin tasapaino mahdollistaa kosmisen inflaation loputtoman kasvumahdollisuuden. Kosmisen inflaation aikana inflaatio-energia virtaa gravitaatiokentästä (tai geometriasta) inflatonkenttään. Gravitaatio-energian kokonaismäärä laskee (tulee enemmän negatiiviseksi) ja inflatonkentän kokonaisenergia nousee (tulee enemmän positiiviseksi). Kuitenkin kunkin omat energiatiheydet pysyvät vakiona ja vastakaisina, koska alueessa tapahtuu inflaatiota. Näin ollen kosminen inflaatio selittää omituiset materian ja gravitaatio-energian pois pyyhkiytymiset kosmologisessa mittakaavassa, mikä on johdomukaisesti todettu astronomisissa havainnoissa.^[7]

Kvanttihäilyväisyys muokkaa

Kvanttimekaniikan epätarkkuusperiaatteesta johtuen energiahäilyväisyydet, kuten elektroni ja sen antihiukkanen, positroni, voivat spontaanisti ilmestyä tyhjiöavaruudesta, mutta niiden pitää myös hävitä nopeasti. Mitä pienempi on hiukkasen energia, sitä pidempää se voi olla olemassa. Gravitaatiokentällä on negatiivinen energia. Materialla on taas positiivinen energia. Mikäli nämä kaksi arvo mitätöivät toisensa, se edellyttäen Universumin täydellistä litteyttä (ei lainkaan kaarevuutta). Tässä tapauksessa Universumilla on nollaenergiatilassa ja voi teorettisesti kestää ikuisuuden.^[8]^[9]

Hawkingin gravitaatio-energia muokkaa

Stephen Hawking kirjoittaa vuonna 2010 julkaistussa kirjassaan Suuri suunnitelma: "Jos universumin kokonaisenergian pitää pysyä ikuisesti nollana, mutta kappaleen luominen vaatii energiaa, kuinka koko universumi voi olla luotu tyhjästä? Tämän takia voimassa täytyy olla laki kuten gravitaatio. Koska gravitaatio on puoleensa vetävä voima, gravitaatio-energia on negatiivinen: gravitaatiollisesti sidotun systeemin, kuten Maa ja kuu, erottaminen vaatii työtä (energiaa). Tämä negatiivinen energia voi tasapainottaa positiivista energiaa, jota tarvitaan materian luomiseen, mutta ei siinä kaikki. Esimerkiksi koko Maapallon negatiivinen gravitaatio-energia on vähemmän kuin biljoonasosa Maapallon materiaalihiukkasten positiivisesta energiasta. Kappaleella, kuten tähdellä tulee olemaan enemmän negatiivista gravitaatio-energiaa ja mitä pienempi se on (mitä lähempänä yksittäiset osat ovat toisiaan), sitä suurempi tulee olemaan negatiivinen gravitaatio-energia. Jotta negatiivinen gravitaatio-energia voi tulla suuremmaksi (suuruudeltaan) kuin materian positiivinen energia, tähti romahtaa mustaksi aukoksi omaten positiivisen energian. Tästä syystä tyhjiöavaruus on tasapainossa. Kappaleet, kuten tähdet tai mustat aukot eivät voi syntyä tyhjästä, mutta koko universumi voi."^[10]^selvennä

Lähteet muokkaa

↑ A Universe from Nothing Astronomical Society of the Pacific. Arkistoitu 22 lokakuu 2013. Viitattu 10 March 2010. by Alexei V. Filippenko and Jay M. Pasachoff
↑ A Universe From Nothing lecture by Lawrence Krauss at AAI youtube.com. 2009. Viitattu 17 October 2011.
↑ MPP. 2, 40; William Thomson and P.G. Tate, 'Energy', Good Words, 3 (1862), 601–7, on p. 606
↑ Smith, Crosbie; M. Norton Wise, Energy and Empire: A Biographical Study of Lord Kelvin Cambridge University Press, 1989, p. 533
↑ Alan Guth, The Inflationary Universe, (ISBN 0-224-04448-6) Appendix A Since the negative energy of a gravitational field is crucial to the notion of a zero-energy universe, it is a subject worth examining carefully. In this appendix I will explain how the properties of gravity can be used to show that the energy of a gravitational field is unambiguously negative. The argument will be described [in the appendix] in the context of Newton's theory of gravity, although the same conclusion can be reached using Einstein's theory of general relativity.
↑ 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.)
↑ Edward P. Tryon, "Is the Universe a Vacuum Fluctuation?", Nature, vol. 246, p.396–397, 1973.
↑ Inflation for Beginners, John Gribbin. Berkeley Lab, Smoot Group"Quantum uncertainty allows the temporary creation of bubbles of energy, or pairs of particles (such as electron-positron pairs) out of nothing, provided that they disappear in a short time. The less energy is involved, the longer the bubble can exist. Curiously, the energy in a gravitational field is negative, while the energy locked up in matter is positive. If the Universe is exactly flat, then as Tryon pointed out the two numbers cancel out, and the overall energy of the Universe is precisely zero. In that case, the quantum rules allow it to last forever."
↑ (alkuteos s. 180)

[1] A Universe from Nothing Astronomical Society of the Pacific. Arkistoitu 22 lokakuu 2013. Viitattu 10 March 2010. by Alexei V. Filippenko and Jay M. Pasachoff

[2] A Universe From Nothing lecture by Lawrence Krauss at AAI youtube.com. 2009. Viitattu 17 October 2011.

[3] MPP. 2, 40; William Thomson and P.G. Tate, 'Energy', Good Words, 3 (1862), 601–7, on p. 606

[4] Smith, Crosbie; M. Norton Wise, Energy and Empire: A Biographical Study of Lord Kelvin Cambridge University Press, 1989, p. 533

[5] Alan Guth, The Inflationary Universe, (ISBN 0-224-04448-6) Appendix A Since the negative energy of a gravitational field is crucial to the notion of a zero-energy universe, it is a subject worth examining carefully. In this appendix I will explain how the properties of gravity can be used to show that the energy of a gravitational field is unambiguously negative. The argument will be described [in the appendix] in the context of Newton's theory of gravity, although the same conclusion can be reached using Einstein's theory of general relativity.

[6] Stephen Hawking, A Brief History of Time, p. 129.

[7] "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.)

[Tryon1973-8] Edward P. Tryon, "Is the Universe a Vacuum Fluctuation?", Nature, vol. 246, p.396–397, 1973.

[9] Inflation for Beginners, John Gribbin. Berkeley Lab, Smoot Group"Quantum uncertainty allows the temporary creation of bubbles of energy, or pairs of particles (such as electron-positron pairs) out of nothing, provided that they disappear in a short time. The less energy is involved, the longer the bubble can exist. Curiously, the energy in a gravitational field is negative, while the energy locked up in matter is positive. If the Universe is exactly flat, then as Tryon pointed out the two numbers cancel out, and the overall energy of the Universe is precisely zero. In that case, the quantum rules allow it to last forever."

[10] (alkuteos s. 180)

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]