Pergunte a Ethan nº 107: a inflação está associada à energia escura?
A expansão exponencial do universo está ocorrendo agora, e outra ocorre há muito tempo. Eles são parentes?
A natureza não pode ser comprada ou vendida, emprestada ou copiada. É incomparável, inesquecível, sem vergonha, elementar como terra e gelo, água, fogo e ar, quintessência, espírito puro, não decomponível em componentes.
- Jay Griffiths
Toda semana, enquanto escrevemos sobre milagres, tarefas interessantes e difíceis e novas descobertas na natureza do Universo, você tem a oportunidade de me enviar perguntas e sugestões para a edição semanal de "Ask Ethan". E, embora pareça haver mais e mais perguntas a cada semana, perguntas interessantes ainda são encontradas. Nesta semana, a honra vai para John Pashkov (a segunda vez), que pergunta:As forças inflacionárias e a energia escura estão relacionadas de alguma forma? Seria muito estranho se houvesse duas forças diferentes causando a expansão do universo.
No caso do Universo, muito do que está acontecendo parece muito estranho, com certeza.
Primeiro de tudo, o Universo está se expandindo inequivocamente. Mas para isso ela não precisa de nenhum poder. Se escolhermos um universo como o nosso, que:• Trabalha sob o controle da relatividade geral de Einstein,• Cheio de matéria, radiação e outras coisas,• Aproximadamente homogêneo em todas as direções e em todos os lugares,você chegará a uma conclusão engraçada e desconfortável. Einstein o alcançou pela primeira vez nos primeiros anos da existência da teoria da relatividade: esse universo é essencialmente instável em relação ao colapso gravitacional.
Ou seja, sem aplicar nenhuma correção mágica, seu Universo se expandirá ou diminuirá, e essas possibilidades são equivalentes. O que ela não pode fazer é permanecer inalterada.Obviamente, o trabalho de Edwin Hubble ainda não foi concluído. Não apenas não sabíamos que o Universo estava se expandindo, nem sabíamos se esses objetos em espiral no céu são objetos dentro de nossa Via Láctea, ou se são galáxias separadas. Como Einstein, como a maioria da época, gostava mais do universo estático, ele inventou uma correção ad hoc especial para a estabilidade do universo: uma constante cosmológica.
A idéia da relatividade de Einstein é que a equação tem dois lados: aquele com matéria e energia e aquele com espaço e tempo. Ela argumenta que a presença de matéria e energia determina a curvatura e a evolução do espaço-tempo, e como o espaço-tempo é curvado e evolui, determina o destino de cada quantum de matéria e energia dentro dele.A adição de uma constante cosmológica significava "existe um novo tipo de energia inerente ao próprio espaço, fazendo com que o tecido do universo se expanda a uma velocidade constante". Portanto, se havia uma força gravitacional trabalhando, devido à presença de matéria e energia, ao colapso do Universo, era possível levar essa constante cosmológica trabalhando para expandir o Universo e obter um Universo estático. Tudo o que era necessário era igualar esses dois valores para que eles se destruíssem mutuamente.
Aconteceu que o Universo está se expandindo e não precisa de nenhuma constante cosmológica para neutralizar a gravidade. Em sua posição original, o Universo começou a se expandir muito rapidamente, o que neutralizou a força da gravidade de toda matéria e energia. Em vez de compressão, o Universo estava se expandindo e a velocidade da expansão diminuiu.Será natural fazer duas perguntas que se tornaram lógicas após essa descoberta na década de 1920:1. O que causou uma expansão tão rápida do Universo em seus estágios iniciais?2. Qual será o destino do universo? Será que ele se expandirá para sempre? Será que sua expansão voltará a se recuperar, estará em um estado limítrofe ou algo mais acontecerá?
A primeira pergunta permaneceu sem resposta por mais de 50 anos, embora, curiosamente, Willem de Sitter tenha sugerido quase que imediatamente que a expansão se deva à constante cosmológica.
Finalmente, no início dos anos 80, surgiu a teoria da inflação cosmológica, sugerindo a presença de uma fase inicial de expansão exponencial, quando algo muito remanescente de uma constante cosmológica dominava o Universo.Mas isso não poderia ser uma constante cosmológica real, também conhecida como energia de vácuo, uma vez que o Universo não permaneceu nesse estado para sempre. O Universo poderia estar em um estado de falso vácuo, quando tivesse alguma energia inerente ao espaço, que então morreria para um estado de baixa energia, o que levaria ao aparecimento de matéria e radiação: um Big Bang quente!
A inflação fez outras previsões, quatro das quais já foram confirmadas, como resultado das quais aceitamos a existência de uma fase tão inicial do universo.Passando para a segunda pergunta, sobre o destino do Universo, encontramos algo estranho. Esperávamos encontrar algum tipo de corrida entre a rápida expansão inicial e a força da gravidade que afeta toda a matéria e radiação, e, em vez disso, inesperadamente encontramos uma nova forma de energia chamada escuridão. E o que você pensaria? Essa energia escura, como a entendemos hoje, parece exatamente uma constante cosmológica.
Mas havia dois tipos de expansão exponencial, mais cedo e mais tarde, que variam muito em detalhes.• O período inicial de inflação no Universo durou indefinidamente - talvez 10-33 s, talvez quase sem fim, e a energia escura de hoje domina há seis bilhões de anos.• O período inicial de inflação no Universo foi muito rápido, a expansão cosmológica foi 10 a 50 vezes mais rápida do que hoje . Hoje, pelo contrário, a energia escura responde por 70% da taxa de expansão.• Um estado inicial de alguma forma interagiu com a matéria e a radiação. Em energias suficientemente altas, uma certa "partícula da inflação" deve existir se a teoria quântica de campos não nos mentir. A energia escura dos últimos tempos não contém nenhum tipo de interação.Mas existem semelhanças.
Ambos têm a mesma equação de estado, ou seja, a relação entre a escala do universo e o tempo.Ambos têm a mesma relação entre densidade de energia e pressão em GR.Ambos levam a uma expansão exponencial do universo.
Mas eles estão conectados? É muito, muito difícil dizer. Porque, é claro, que não os entendemos bem o suficiente! Pessoalmente, pensando em inflação, gosto de imaginar uma garrafa de dois litros de refrigerante pela metade. Imagino que uma gota de óleo flutue na superfície do líquido dentro da garrafa. Esse estado de alta energia se assemelha ao universo durante a inflação.Então acontece algo que faz com que o líquido derrame da garrafa. O óleo é enviado para o fundo, em um estado de baixa energia.
Mas se a queda não chegar ao fundo - ela permanecerá não em zero, mas em alguma marca final (como o campo de Higgs durante a quebra de simetria) - pode causar o aparecimento de energia escura. Os modelos que conectam esses campos, o campo de inflação e o campo de energia escura são conhecidos como quintessência .Muito fácil criar um modelo por excelência. O problema é que é igualmente fácil criar dois modelos de trabalho separados - um para inflação e outro para energia escura. Temos dois novos fenômenos que exigem a introdução de pelo menos dois "parâmetros livres" para que a teoria funcione. Eles podem ser conectados, você não pode se conectar, mas esses modelos não podem ser distinguidos um do outro.
Até o momento, apenas conseguimos excluir determinadas classes de modelos nas quais a taxa de expansão nos estágios inicial ou posterior não coincide com as observações. Mas as observações são consistentes com o fato de que a inflação é em si mesma e a energia escura vem de uma fonte completamente diferente. Eu realmente não gosto de falar sobre o conhecimento que recebemos de que a inflação ocorre com energias da ordem de 10 a 15.GeV e energia escura - com energias de cerca de 10 -3 eV, e depois explique que "não sabemos se eles estão conectados" - mas é assim que é.Infelizmente, mesmo com todos os experimentos propostos - James Webb, WFIRST, LISA e ILC - não esperamos receber uma resposta para essa pergunta em um futuro próximo. Resta esperar uma inovação teórica. Eu próprio trabalhei diretamente nessa tarefa e posso dizer que não sei quando isso pode acontecer.Source: https://habr.com/ru/post/pt399443/
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