Um conceito importante que desempenha um papel importante na compreensão moderna do universo é o vácuo, ou vácuo em latim, a forma plural da palavra "vácuo".
Você pode saber que os físicos chamam o vácuo de espaço vazio no qual não há nada - nem ar, nem mesmo partículas elementares voadoras. Mas então há algo estranho na idéia do vácuo no plural. Aparentemente, algo mais foi adicionado a esse conceito! É isso que vou tentar explicar.
A teoria pode oferecer uma descrição do espaço vazio
Para começar, deixe-me lembrá-lo do que é teoria em física. Isso não é raciocínio ou idéia; é algo mais específico. Uma teoria é um conjunto de equações e conceitos relacionados que permitem aos cientistas fazer previsões sobre o comportamento de objetos físicos. Algumas teorias devem descrever o mundo real; a maioria das teorias descreve mundos imaginários; mas qualquer teoria razoável faz previsões consistentes e descreve aspectos de um mundo possível.
Por exemplo, a teoria da gravidade de Newton, na qual a força gravitacional entre dois objetos localizados à distância r é proporcional a 1 / r
2 , descreve aproximadamente o que está acontecendo no mundo real. Poderia haver outra teoria da gravidade, na qual a força é proporcional a 1 / r
3 . Essa ainda seria uma teoria física, uma vez que faz previsões claras sobre como os objetos devem ser atraídos um pelo outro devido à gravidade, mas descreveria um mundo imaginário, não o nosso, real. Esta é uma teoria física perfeitamente normal, mas não descreve a natureza do nosso mundo.
Algumas teorias (não todas, é claro) devem descrever não apenas objetos, mas também a ausência de objetos na forma de espaço vazio - também conhecido como vácuo. No tempo de Newton, o espaço vazio era simples. Era apenas isso, apenas espaço vazio. Mas ao longo dos anos, o espaço vazio tornou-se cada vez mais complexo. No século XIX, tornou-se conhecido que existem campos no espaço vazio - e hoje consideramos os campos como aspectos elementares do Universo, pois são extremamente importantes!
Fields
Um campo é uma entidade que pode fazer a diferença em qualquer lugar do espaço a qualquer momento. Na vida cotidiana, encontramos um campo na forma de temperatura do ar - a qualquer momento, em qualquer lugar, você pode medir a temperatura e, se você conhece a temperatura em todo o espaço, conhece o campo de temperatura naquele momento. Mas este exemplo não é adequado para nós, porque a temperatura do ar faz sentido na presença de ar e, no espaço vazio, o campo de temperatura não tem sentido.
Um exemplo melhor seria um campo elétrico (responsável por raios, aderência estática e correntes elétricas nos fios). Um campo elétrico é um campo elementar da natureza que existe mesmo no espaço vazio. O mesmo vale para todos os campos elementares da natureza, incluindo o campo W, o campo de elétrons, o campo de múons etc., incluindo o agora famoso campo de Higgs.
Vacuum vs Vacuum
Então, quando falamos de espaço vazio, queremos dizer o espaço mais vazio possível. Em certo sentido, está vazio, porque não há partículas nele, nem mesmo partículas de luz (fótons). E as partículas têm vida longa e simplesmente comportam distúrbios de campo. Mas, em certo sentido, não está vazio, devido ao campo elétrico, campo W, campo Higgs, o tempo todo lá! Você não pode definir um vácuo com uma frase simples “espaço vazio”, pois precisamos não apenas dizer que não há partículas nele, mas também dizer o que exatamente os campos estão fazendo nesse espaço vazio. Ou seja, precisamos determinar a configuração dos campos nesse vácuo.
Em um certo vácuo, os campos podem ser ajustados de forma que, para a maioria deles, o valor médio seja zero. Em média, porque as flutuações quânticas garantem uma ligeira oscilação de valores. Mas alguns deles podem não ser em média zero. Isso é verdade para o nosso vácuo - todos os campos são em média zero, exceto o campo de Higgs, cujo valor médio é diferente de zero e constante em toda a parte visível do Universo (com exceção do jitter quântico). Isso é muito importante! O mundo que conhecemos não poderia ser conhecido se o valor médio do campo de Higgs fosse zero - não estaríamos nele.
Pode haver vários aspiradores diferentes no universo. Ou seja, o espaço pode ser o mais vazio possível de várias maneiras - há mais de uma maneira de ajustar os campos do universo, mesmo na ausência de partículas. Da mesma forma, uma teoria que descreve o universo pode prever a presença de mais de um tipo de vácuo. Um exemplo dessa teoria é o Modelo Padrão, as equações usadas para descrever e prever o comportamento de partículas elementares conhecidas e interações da natureza (sem incluir os elementos mais misteriosos: gravidade, matéria escura e energia escura). Agora, depois de medirmos a massa da partícula de Higgs, sabemos que o Modelo Padrão prevê dois vazios diferentes - em um deles o campo de Higgs tem o valor que observamos e no outro é muito maior. Em geral, a teoria prediz a possibilidade da existência de dois modos muito diferentes de comportamento do espaço vazio.
Fig. 1Mas vamos esclarecer uma coisa. Uma teoria chamada Modelo Padrão prevê isso para o universo imaginário descrito pelo Modelo Padrão. Ainda não sabemos pelas experiências se o Modelo Padrão descreve o universo real - isto é, se o universo imaginário do Modelo Padrão e o Universo real em que vivemos são semelhantes o suficiente para que as previsões do Modelo Padrão (teoria) coincidam com todos os resultados de todas as experiências. (dados). Portanto, não sabemos se existem dois vazios previstos pelo Modelo Padrão no mundo real.
O vácuo é como o fundo de uma tigela
Vou descrever uma das principais propriedades de um vácuo. A mesma propriedade permite que a bola descanse no fundo da tigela.
Fig. 2O fundo da tigela é estável para a bola. Se você mover a bola a uma curta distância em qualquer direção, ela retrocederá, ficará um pouco mais cara e a força de atrito a interromperá no fundo. Quando você move a bola a uma pequena distância do fundo, sua energia (interações com a gravidade da Terra) aumenta e tende a diminuir essa energia através do retorno ao ponto inicial, onde a energia da gravidade é a menor. Uma posição estável é aquela em que qualquer movimento da bola aumenta sua energia, ou pelo menos não a reduz. Portanto, se você puder mover a bola para reduzir sua energia, a bola irá rolar nessa direção e não retornará necessariamente - nesse caso, a corrente inicial não será uma posição estável.
Por definição, um vácuo é uma configuração estável dos campos do universo e do próprio cosmos. "Se alguém alterar um pouco os valores dos campos no vácuo, então os valores dos campos tenderão a retornar à sua posição inicial, então eles circularão um pouco e se acalmarão. O vácuo é uma configuração de campos, por exemplo. que a energia do universo é mínima; qualquer pequena mudança nos campos leva a um aumento (ou pelo menos não leva a uma diminuição) na energia do universo, e os campos sempre tenderão a retornar aos seus valores no vácuo.
Fig. 3: taças diferentes com diferentes posições estáveis para a bolaVamos voltar ao baile. Você pode imaginar uma situação em que eu tenho duas taças idênticas, cada uma com uma posição estável para a bola. Ou você pode imaginar uma tigela de uma forma estranha com duas posições estáveis diferentes em alturas diferentes. Ou você pode imaginar uma tigela muito mais complexa com muitas posições estáveis. Você pode imaginar como colocamos a bola em uma das diferentes posições marcadas na fig. 3 flechas, e permanece indefinidamente, uma vez que qualquer pequena mudança na posição da bola não será suficiente para movê-la de uma posição estável para outra (o efeito do tunelamento quântico complica essa situação, mas falaremos sobre isso na próxima vez).
Da mesma forma, o Universo pode ter - ou a teoria do universo pode prever a existência de - mais de uma configuração estável de campos, ou seja, mais de um vácuo. Ninguém limita o número de possíveis vazios, embora teorias simples usem muito poucas. Somente teorias com muitos tipos de campos costumam ter muitos vazios. Acontece que a questão, embora não diretamente, está relacionada a quantos tipos de campos existem em nosso Universo? Somente conhecido por nós? Ou milhares deles?
Nosso universo tem muitos aspiradores?
Como é que o Modelo Padrão prevê que existem dois vazios em nosso universo? Primeiro, é fácil mostrar (se você sabe calcular) que todos os campos elementares do Modelo Padrão, com exceção do campo Higgs, devem ter um valor médio zero em qualquer vácuo. Mas o campo de Higgs não é assim; pode possuir e ter um valor médio diferente de zero no vácuo conhecido por nós e pode possuí-lo em qualquer outro vácuo possível. Para descobrir quais são os valores estáveis para o campo de Higgs, calculamos a energia do espaço vazio em função do valor médio do campo de Higgs. Curiosamente, hoje os físicos podem fazer cálculos muito detalhados, pois já são:
• mediu com precisão a massa do quark superior,
• descobriu a partícula de Higgs (que, de acordo com o Modelo Padrão, existe apenas uma espécie), e
• mediu a massa da partícula de Higgs.
Como resultado, eles chegam a uma conclusão semelhante à mostrada na Fig. 4. Como uma tigela dupla no meio da fig. 3, que tem duas posições estáveis, onde qualquer movimento da bola aumenta sua energia, a energia do campo de Higgs.O modelo padrão prevê dois mínimos. Isto significa que existem dois aspiradores indicados pelas setas na fig. 4, com as propriedades indicadas na fig. 1: um vácuo conhecido por nós, com um valor bastante pequeno do campo de Higgs, o outro, um vácuo exótico, com um grande valor.
A localização exata e a profundidade (o valor do campo de Higgs e a energia do espaço vazio) de um vácuo exótico são uma questão em aberto. Dependem muito das massas do quark superior e da partícula de Higgs, cuja compreensão ainda pode sofrer alterações pequenas, porém críticas, com base nos dados do Large Hadron Collider. Fig. 4 mostra o melhor palpite atual, onde nosso vácuo tem mais energia do que exótico.
Fig. 4Mas você deve sempre lembrar que o Modelo Padrão pode não descrever o nosso Universo o suficiente para que todas essas conclusões estejam corretas. Já sabemos que o Modelo Padrão não leva em consideração a gravidade, a matéria escura e a energia escura; pode não levar em consideração todo um vagão de partículas desconhecidas. Outros tipos de partículas de Higgs podem até existir. Consequentemente, não sabemos nada com confiança. Em nosso universo, pode haver apenas um vácuo, ou três, cem ou muito mais. O estudo do vácuo do universo continua sendo uma área de pesquisa ativa, que em princípio pode continuar por séculos.