Alguns termos que contribuem para a energia de ponto zero em electrodinâmica quântica. Embora frequentemente… assumamos o valor destas contribuições para a soma do vácuo quântico a zero, não há bases sólidas para essa suposição.
R. L. Jaffe; arXiv:0503158
Imagine, se puder, o que significaria ter um Universo com absolutamente nada nele. Poderia pegar em todos os vários quanta de matéria e energia e removê-los, deixando um Universo sem partículas ou antipartículas de qualquer tipo. Poderia remover quaisquer fontes de gravitação ou curvatura espacial, reduzindo o seu Universo a nada mais do que espaço puramente vazio. Poderia proteger o Universo de quaisquer campos externos eléctricos, magnéticos ou campos que exerçam uma força nuclear, eliminando qualquer possível influência que estes possam ter no espaço de tempo que está a considerar. Mesmo que fizesse tudo isso, não obteria “zero” no seu balanço da energia do Universo. É isso que Niels Hermes quer saber, como escreve para perguntar:
Será possível iluminar o conceito de energia do ponto zero?
É um conceito desafiante, mas vamos dar-lhe um murro.
Um campo escalar φ num falso vácuo. Note-se que a energia E é superior à do verdadeiro vácuo ou… estado do solo, mas existe uma barreira que impede o campo de rolar classicamente para o verdadeiro vácuo. Note-se também como o estado de menor energia (vácuo verdadeiro) é permitido ter um valor finito, positivo, não nulo. Sabe-se que a energia de ponto zero de muitos sistemas quânticos é superior a zero.
Utilizador do Wikimedia Commons Stannered
Para qualquer sistema físico que possamos sonhar, haverá sempre pelo menos uma configuração em que o podemos colocar, que terá a menor quantidade total de energia. Para uma série de massas isoladas do resto do Universo, isso é um buraco negro. Para um próton e um electrão, isso é um átomo de hidrogénio no solo (ou seja, no estado de menor energia). E para o próprio Universo, isso é criar espaço vazio na ausência de quaisquer campos ou fontes externas.
Que o estado de energia mais baixa é conhecido como estado de energia de ponto zero. Durante muito tempo, os cientistas que estudaram o Universo assumiram que a energia com o ponto zero era zero. Não por qualquer razão física, mas porque só tínhamos duas formas de tentar chegar a ele, e ambas deram respostas que apontavam para problemas com qualquer valor diferente de zero.
Foram realizados inúmeros testes científicos da teoria geral da relatividade de Einstein,… sujeitando a ideia a algumas das mais rigorosas restrições alguma vez obtidas pela humanidade. A presença de matéria e energia no espaço diz ao espaço-tempo como curvar, e esse espaço-tempo curvo diz à matéria e energia como se mover. Mas há também um parâmetro livre: a energia de ponto zero do espaço, que entra na Relatividade Geral como uma constante cosmológica. Isto descreve com precisão a energia escura que observamos, mas não explica o seu valor.
LIGO colaboração científica / T. Pyle / Caltech / MIT
A primeira vez que surgiu a ideia de uma energia de ponto zero para o espaço foi no contexto da (então nova) teoria da gravidade de Einstein: A Relatividade Geral. Segundo Einstein, a curvatura do espaço determina o comportamento futuro da matéria e energia no Universo, e a presença de matéria e energia determina a curvatura do espaço.
P>Bem, quase. A presença de matéria e energia determina a curvatura do espaço quase por completo, mas é livre de acrescentar uma constante ao próprio espaço. (Aqueles de vós que fizeram cálculo reconhecerão esta constante como algo que surge sempre que fazem uma integral: determinam a resposta completamente, até uma constante aditiva, “mais c.”) Essa constante, seja ela qual for, representa a energia de ponto zero do espaço. Quando descobrimos o Universo em expansão, a constante era completamente desnecessária, e foi deitada fora como tal durante cerca de 60+ anos.
Hoje em dia, os diagramas de Feynman são utilizados no cálculo de todas as interacções fundamentais abrangendo as forças fortes,… fracas, e electromagnéticas, incluindo em condições de alta energia e baixa temperatura/condensadas. Podem ser desenhados não só para partículas que entram e saem de uma interacção, como aqui mostrado, mas também para o vácuo quântico.
de Carvalho, Vanuildo S. et al. Nucl.Phys. B875 (2013) 738-756
A segunda vez que a ideia de energia de ponto zero apareceu foi quando a teoria de campo quântico subiu à proeminência. Para além de todas as formas como as partículas podiam interagir umas com as outras através dos campos quânticos que permeavam o Universo, houve também contribuições de “vácuo”, que representavam como os campos quânticos no vácuo do espaço se comportavam.
Os canais individuais contribuíram em enormes quantidades para aquilo a que chamámos o “valor de expectativa de vácuo” destes campos, que eram tipicamente cerca de ~120 ordens de magnitude superior aos limites observacionais. Mas alguns eram positivos e outros negativos, e muitos assumiram que todos eles se cancelariam. Além disso, algumas teorias de campo provaram ser exactamente equivalentes a teorias livres (cujos valores de expectativa de vácuo eram zero), e assim, mais uma vez, assumimos que a energia de ponto zero era zero.
Se a expansão do Universo acelerar ou desacelerar depende não só da energia… densidade do Universo (ρ), mas também da pressão (p) dos vários componentes da energia. Para algo como a energia escura, onde a pressão é grande e negativa, o Universo acelera, em vez de desacelerar, ao longo do tempo. Isto foi inicialmente indicado pelos resultados da supernova, mas desde então tem sido corroborado por medições de estruturas em grande escala, o fundo cósmico de microondas, e outros métodos independentes de medição do Universo.
NASA & ESA / E. Siegel
E então, no final do século XX, o impensável aconteceu. Sempre tínhamos previsto que o Universo estava a expandir-se, que a gravidade estava a trabalhar para abrandar a expansão, e que ou:
- gravitação ganharia e a expansão inverter-se-ia,
- a expansão ganharia e continuaria a abrandar para todo o sempre,
- ou eles equilibrar-se-iam exactamente, e a expansão assimetria a zero, mas nunca inverter-se-ia completamente.
Mas depois descobrimos que a expansão do Universo não estava a abrandar de todo, mas que galáxias distantes estavam a afastar-se de nós cada vez mais depressa com o passar do tempo. O Universo não tinha apenas matéria e radiação, mas parecia ter nele uma nova forma de energia: aquilo a que agora chamamos energia escura. Nos 22 anos desde que essa primeira descoberta ocorreu, não só a energia escura foi confirmada por muitas linhas de evidência, como também se demonstrou ser indistinguível, com grande precisão, a partir de uma constante cosmológica.
O “sombreamento” azul representa as possíveis incertezas de como a densidade de energia escura era/virá ser… diferente no passado e no futuro. Os dados apontam para uma verdadeira “constante” cosmológica, mas outras possibilidades são ainda permitidas. Como a matéria se torna cada vez menos importante, a energia escura torna-se o único termo que importa. A taxa de expansão tem diminuído com o tempo, mas irá agora assimetar para cerca de 55 km/s/Mpc.
Quantum Stories
É por isso que nos preocupamos com a energia de ponto zero do espaço. Observações de muitas linhas de evidência – incluindo o fundo cósmico de microondas, fontes de luz distantes (como supernovas), e o agrupamento de galáxias no Universo – todas apontam para o mesmo valor minúsculo, não nulo, da quantidade de energia escura no Universo. Parece ser uma forma de energia inerente ao próprio espaço, parece não mudar com o tempo, parece ter uma densidade constante em todo o lado e sempre, e não sabemos o que a está a causar.
É por isso que temos uma motivação tão forte para tentar compreender o que é a energia de ponto zero do espaço: precisamente porque medimos a expansão do Universo, que depende dela, para ser inconsistente com um valor de zero para esta quantidade. Tal como os átomos de hidrogénio têm uma energia finita ao seu estado de solo, também a própria energia do estado de solo do espaço vazio deve ser considerada.
Em vez de adicionar numa constante cosmológica, a energia escura moderna é tratada como mais uma… componente de energia no Universo em expansão. Esta forma generalizada das equações mostra claramente que um Universo estático está fora, e ajuda a visualizar a diferença entre adicionar uma constante cosmológica e incluir uma forma generalizada de energia escura.
© 2014 A Universidade de Tóquio; Kavli IPMU
Isso leva-nos à grande questão: porquê? Porque é que a energia de ponto zero do espaço é o valor que tem? Há muitas respostas plausíveis, mas cada uma delas é insatisfatória de alguma forma.
Pode ser que a constante cosmológica da Relatividade Geral tenha simplesmente o valor positivo que tem. É permitido assumir qualquer valor, e tudo o que observamos é consistente com a energia de ponto zero do espaço ter um valor pequeno, constante e positivo desde o início do Big Bang quente. Isto é apelativo porque não precisa de invocar nenhuma nova física: podemos explicar o que observamos definindo um parâmetro livre igual ao valor observado correcto. Mas é insatisfatório porque não há nenhum mecanismo ou raciocínio que nos ajude a compreender porque tem o valor que tem.
Visualização de um cálculo da teoria de campo quântico mostrando partículas virtuais no vácuo quântico…. (Especificamente, para as interacções fortes.) Mesmo no espaço vazio, esta energia de vácuo é não-zero, e o que parece ser o ‘estado do solo’ numa região do espaço curvo parecerá diferente da perspectiva de um observador onde a curvatura espacial difere. Enquanto os campos quânticos estiverem presentes, esta energia de vácuo (ou uma constante cosmológica) também deve estar presente.
Derek Leinweber
Alternately, poderia ser que a energia de ponto zero de todos os campos quânticos que permeiam o Universo se somasse ao valor observado necessário para a energia escura. Talvez, se soubéssemos calcular correctamente este valor, chegaríamos à resposta correcta.
O problema com este cenário é que não sabemos como fazer este cálculo, e todas as nossas tentativas dão-nos uma resposta que é ridiculamente grande demais. É possível que haja um cancelamento quase perfeito, mas não qualitativo, que nos levará ao valor correcto, mas essa é uma proposta difícil de apostar. “Não sabemos como fazer isto, e a tarefa parece difícil mas não está provado que seja impossível”, não é exactamente uma linha de pensamento convincente.
A gravidade quântica tenta combinar a teoria geral da relatividade de Einstein com a mecânica quântica…. As correcções quânticas à gravidade clássica são visualizadas como diagramas de laço, como o aqui mostrado em branco. É possível que as contribuições da gravidade quântica para a energia de ponto zero do espaço sejam responsáveis pela energia escura que vemos hoje no nosso Universo, mas essa é apenas uma das muitas possibilidades viáveis.
SLAC National Accelerator Laboratory
Mas há sempre cenários de “nova física” a considerar também. É possível que não haja uma constante cosmológica e nenhuma contribuição para a energia de ponto zero dos campos quânticos que conhecemos. Poderíamos antes postular um novo tipo de campo no Universo, que poderia ser:
- uma contribuição de qualquer teoria quântica da gravidade que se revele correcta,
- uma relíquia remanescente de uma simetria anteriormente quebrada no Universo (da grande escala de unificação, da escala de Higgs, do sector dos neutrinos, etc.).) que simplesmente define a energia de ponto zero para o seu valor actualmente não zero,
- que existe uma quantidade de energia que não foi completamente a zero da nossa época inflacionista anterior,
- ou que a ideia altamente especulativa da paisagem de cordas, que por si só requer muitas suposições não comprovadas e sem provas sobre como o Universo se comportava antes do Big Bang quente, simplesmente “aterrou no valor que vemos hoje” para o valor da energia de ponto zero (ou valor de expectativa de vácuo) do espaço vazio.
Na ausência de uma solução, todas as possibilidades – por mais mal motivadas que pareçam – devem ser consideradas.
A um nível fundamental, mesmo o espaço puramente vazio continua a ser preenchido com campos quânticos, que afectam… o valor da energia de ponto zero do espaço. Até sabermos como efectuar este cálculo, devemos ou fazer uma suposição sobre o valor a que chegamos ou admitir que não sabemos como efectuar este cálculo.
NASA/CXC/M.WEISS
Mas não importa qual seja a resposta ao quebra-cabeças de energia de ponto zero, há dois factos que não podemos negar. O primeiro é que a energia negra é real, corroborada por uma série de linhas de evidência independentes, das quais o nosso Universo simplesmente não pode prescindir. É consistente com ter um valor constante em todo o espaço e ao longo do tempo: comporta-se de uma forma que é indistinguível do espaço ter uma energia não zero, constante de ponto zero.
O segundo facto é que, qualquer que seja a solução, ainda temos de contar com a presença de campos quânticos – mandatados pelas leis da física – a permear o nosso Universo. Até sabermos como calcular esse valor, qualquer solução proposta exige que façamos uma suposição infundada para qualquer que seja esse valor. A energia de ponto zero do espaço vazio é inconsistente com um valor de zero. Há muitas origens possíveis deste valor não zero, mas a sua causa final continua a ser um mistério.
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