Por que o pequeno peso do espaço vazio é um mistério tão grande

Acontece que a quantidade de energia contida no espaço vazio é muito difícil de explicar sem envolver a teoria do multiverso. Mas os físicos têm pelo menos mais uma alternativa para estudar.

A idéia contraditória de que o nosso Universo é apenas uma bolha aleatória em um universo infinito de espuma segue logicamente a partir da característica mais à primeira vista, inocente da natureza: espaço vazio. Especificamente, a hipótese do multiverso cresce a partir de uma quantidade incrivelmente pequena de energia contida no espaço vazio - conhecida como energia de vácuo, energia escura ou constante cosmológica. Cada metro cúbico de espaço vazio contém uma quantidade de energia suficiente para acender uma lâmpada por apenas 11 trilhões de frações de segundo. "É como um osso na garganta", como Stephen Weinberg , ganhador do Nobel, descreveu um problema que deveria ter pelo menos um trilhão de trilhões de trilhões de trilhões de trilhões de trilhões de vezes mais energia no vácuo devido à presença de todos os campos associados a ele matéria e interações. Mas, de alguma maneira, todos os efeitos desses campos são quase completamente mutuamente destruídos, e uma paz serena é obtida. Por que o espaço vazio é tão vazio?

Embora não conheçamos a resposta para essa pergunta - o infame " problema da constante cosmológica " - o extremo grau de vazio do nosso vácuo parece necessário para a nossa existência. Em um universo um pouco mais cheio de energia gravitacionalmente repulsiva, o espaço se expandia muito rápido para estruturas como galáxias ou planetas se formarem. Um sistema tão afinado sugere que pode haver muitos universos, e cada um deles pode ter sua própria quantidade de energia a vácuo, e vivemos em um universo com uma taxa extremamente baixa, porque não poderíamos aparecer em outro.

Alguns estudiosos desaprovam a tautologia do " princípio antrópico " e não gostam da teoria do multiverso por ser inverificável. Mesmo aqueles que não se opõem a essa teoria gostariam de ter soluções alternativas para o problema da constante cosmológica. Mas, embora seja quase impossível resolver sem um multiverso. "O problema da energia escura é tão difícil e inconveniente que as pessoas não encontraram uma ou duas soluções para ele", disse Raman Sandram, físico teórico da Universidade de Maryland.

Para entender por que isso acontece, considere qual é a energia do vácuo. A teoria geral da relatividade de Albert Einstein afirma que matéria e energia dizem ao espaço-tempo como dobrar, e a curvatura do tempo-espaço diz à matéria e energia como se mover. A partir das equações, segue-se automaticamente a capacidade do espaço-tempo de ter sua própria energia - uma quantidade constante restante quando não há mais nada lá, que Einstein chamou de constante cosmológica. Durante décadas, os cosmólogos assumiram que seu valor é zero, dada a taxa de expansão razoavelmente constante do Universo, e pensaram por que isso aconteceu. Mas em 1998, os astrônomos descobriram que a expansão do espaço está na verdade se acelerando gradualmente, o que implica a presença de energia repulsiva que permeia todo o espaço.



No entanto, a densidade assumida dessa energia de vácuo contradiz o que a teoria quântica de campos diz sobre o espaço vazio. Um campo quântico é considerado vazio quando partículas, representando excitações de campo, não se movem através dele. Porém, devido ao princípio da incerteza, o estado de um campo quântico nunca é exatamente conhecido, portanto a energia não pode ser exatamente igual a zero. Imagine que um campo quântico consiste em pequenas fontes localizadas em cada ponto do espaço. As molas oscilam constantemente, pois são sempre esticadas a uma distância indefinida do estado mais relaxado. Eles são sempre levemente comprimidos ou levemente esticados e, portanto, sempre se movem, o que significa que eles têm energia. Isso é chamado de energia de campo zero . Nos campos de interações, a energia zero é positiva, e nos campos da matéria - negativos, e essas energias participam da energia total do vácuo.

A energia total do vácuo deve ser aproximadamente igual à soma das maiores contribuições. No entanto, a taxa observada de expansão cósmica sugere que esse valor é de 60 a 120 ordens de grandeza menor do que algumas contribuições de energia de campo zero, como se todos os termos positivos e negativos diferentes se aniquilassem mutuamente. Mas criar um mecanismo físico para esse alinhamento é extremamente difícil, por duas razões.

Primeiro, a energia do vácuo atua apenas gravitacionalmente; portanto, para reduzi-la, é necessário um mecanismo gravitacional. Mas nos primeiros momentos da vida do Universo, quando um mecanismo desse tipo poderia funcionar, era tão pequeno que toda a sua energia de vácuo era desprezível em comparação com a quantidade de matéria e radiação. Os efeitos gravitacionais da energia do vácuo desapareceriam antes da gravidade de todo o resto. “Essa é uma das maiores dificuldades para resolver o problema da constante cosmológica”, escreveu o físico Rafael Busso em 2007. O mecanismo de feedback gravitacional que ajusta a energia do vácuo nas condições do Universo primitivo, ele escreveu, “pode ser comparado com um avião voando em uma tempestade na velocidade de preciso ao tamanho atômico ".

Para complicar a situação, os cálculos da teoria quântica de campos mostram que a energia do vácuo mudaria de valor como resultado de mudanças de fase no universo de resfriamento logo após o Big Bang. Como resultado, surge a questão de saber se esse mecanismo hipotético, que alinhava a energia do vácuo, funcionava antes ou depois dessas mudanças. E como o mecanismo poderia saber o tamanho desses efeitos para compensá-los com tanta precisão?

Até agora, esses obstáculos estão impedindo tentativas de explicar o pequeno peso do espaço vazio, não se inclinando para o universo do multiverso. Mas, recentemente, alguns pesquisadores começaram a estudar uma opção alternativa: se o Universo não aparecesse do nada, mas se recuperasse, depois de sofrer compressão anterior , o Universo comprimido no passado distante deveria ser enorme e a energia do vácuo deveria dominá-lo. Talvez tenha sido então que um certo mecanismo gravitacional poderia afetar a abundância de energia do vácuo e, de alguma forma, seria natural dissipá-la ao longo do tempo. Essa idéia inspirou os físicos Peter Graham, David Kaplan e Sargit Rajendran [Peter Graham, David Kaplan, Surjeet Rajendran] a criar um novo modelo de recuperação cósmica , embora eles ainda tenham que mostrar exatamente como a dispersão de vácuo deve funcionar em um universo em contração.

Em resposta à carta, Busso chamou essa abordagem de "uma tentativa extremamente digna" e "uma luta bem informada e honesta contra um problema sério". Mas ele acrescentou que grandes problemas permanecem no modelo e “os obstáculos técnicos que devem ser superados para preencher esses buracos e fazer com que a ideia funcione pareçam bastante sérios. Todo esse design já se assemelha à máquina Goldberg e, na melhor das hipóteses, ficará ainda mais confuso no futuro, quando os buracos forem preenchidos ". Ele e outros defensores do multiverso acreditam que sua opção de resposta, em comparação com isso, parece mais simples.