Depende de la definición exacta de la materia. Una definición común y la que usaré en esta respuesta es que la materia es cualquier cosa que ocupe espacio y tenga una masa de reposo distinta de cero. Para ocupar espacio, la materia debe estar compuesta de partículas con interacciones electromagnéticas y deben ser partículas estables que no se aniquilen con otras partículas estables. Según esa definición, la cantidad total de materia en el universo hoy consistiría en todos los átomos estables en la tabla periódica (también podríamos incluir átomos inestables si su vida útil es lo suficientemente larga).
Si la materia oscura está compuesta de WIMP (partículas masivas que interactúan débilmente) entonces satisfacen el requisito de tener una masa en reposo distinta de cero, pero no ocupan espacio ya que no tienen interacciones electromagnéticas, por lo tanto, la materia oscura no se consideraría importa por la definición que estoy usando. De hecho, muchos WIMP pasarían por nuestros cuerpos cada segundo sin interactuar con ellos.
Para medir la “cantidad” de materia en el universo hoy podemos sumar la masa restante de todos los átomos en el universo. Entonces, una parte de la pregunta sería: ¿es esta masa total en reposo de todas las partículas de materia una constante? La respuesta a eso es no: hoy en el interior de las estrellas, cuatro átomos de hidrógeno se combinan continuamente en reacciones termonucleares para producir átomos de helio. Por cada átomo de helio producido, la masa total en reposo ha disminuido aproximadamente un 0,7%. Esta masa se convierte en energía (por [matemáticas] E = m \ veces c ^ 2 [/ matemáticas]). Otras reacciones de fusión que producen otros núcleos estables también producirán energía al disminuir la masa total de la materia en el universo. Entonces, la masa total de toda la materia en el universo disminuirá ligeramente con el tiempo.
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Ahora, ¿de dónde vino toda la materia en el universo? Según la teoría cosmológica estándar del big bang, cerca del tiempo [matemáticas] T = 0 ^ + [/ matemáticas] el universo se habría llenado con una densidad de energía muy alta que disminuiría rápidamente con el tiempo. Cuando el universo tiene una densidad de energía muy alta, no habría partículas estables y, por lo tanto, no importa. A medida que disminuye la densidad de energía, también se habrían creado números iguales de quarks y anti-quarks y números iguales de electrones y positrones (que son anti-electrones). La materia actual está compuesta de protones, neutrones y electrones. Los protones y los neutrones están hechos de quarks. Entonces, para explicar la existencia de materia hoy con muy poca o ninguna antimateria, las leyes de la física deben haber tenido una asimetría intrínseca que produjo un poco más de quarks que los anti-quarks (conocidos como bariógenosis) o podrían haber producido un poco más de electrones que positrones (conocido como leptogenisis). Esto habría sucedido en una fracción muy pequeña de un segundo (como [math] 10 ^ {- 32} [/ math] sec) después del big bang.
A medida que el universo se expande y se enfría, los anti-quarks restantes se aniquilarán con algunos de los quarks dejando el exceso de quarks. A medida que el universo se enfría aún más, los quarks se unirán en protones y neutrones, que es la primera vez que se podría decir que existe “materia”. Sin embargo, esta no es una materia sólida como la conocemos: es un plasma altamente ionizado, muy caliente, de protones, neutrones y electrones. Finalmente, durante el período de 3 minutos a 20 minutos después del big bang, se producirá cierta neucleosíntesis donde algunos de los protones y neutrones se fusionan en deuterio, tritio, helio y litio. Alrededor de este período de tiempo es cuando se ha creado la cantidad máxima de materia en el universo. A partir de este momento, la fusión continua en las estrellas reducirá ligeramente la masa total de la materia en el universo.
La mayoría de las teorías de partículas predicen que el protón realmente se descompondrá a una velocidad muy baja. Los límites inferiores experimentales actuales en la vida media son aproximadamente [matemática] 10 ^ {34} [/ matemática] años (el universo tiene solo [matemática] 1.37 \ veces 10 ^ {10} [/ matemática] años). Entonces, si estas predicciones de la teoría de partículas sobre la desintegración de protones son correctas, es posible que en un futuro lejano el contenido de materia del universo decaiga y se acerque a cero.
Otra complicación son los agujeros negros: los agujeros negros son (casi) estables y tienen un tamaño pero realmente no “ocupan espacio” como lo hace un cristal de sal. Entonces, si considera que son una forma de materia, entonces la masa total de toda la materia en el universo aumentará con el tiempo ya que los fotones y las partículas de materia oscura (que no son “materia” según la definición de esta respuesta) caen en un el agujero negro aumentará su masa en reposo. Por otro lado, si considera que los agujeros negros no son una forma de materia, entonces la masa de la materia del universo disminuirá cuando la materia ordinaria caiga en un agujero negro. Finalmente, se cree que incluso los agujeros negros eventualmente decaerán y desaparecerán debido a la radiación de Hawking, por lo que si ocurre la descomposición de protones o la decadencia de agujeros negros, el contenido de materia del universo eventualmente se acercará a cero.
En esta respuesta cuando hablo de la masa de materia en el universo, realmente estoy hablando de la masa de materia en un volumen finito de movimiento compartido del universo. Es necesario hablar sobre los volúmenes que se mueven conjuntamente debido a la expansión del universo. Por ejemplo, si consideramos el asunto en unos pocos billones de cubos de años luz hoy, tendríamos que considerar un volumen más pequeño en el pasado y un volumen más grande en el futuro debido a la expansión del universo.
