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A pior previsão de toda a ciência

Quando se trata de prever a energia do espaço vazio, as duas principais teorias discordam por um fator de 100 quintilhões de googol.

Principais conclusões

• As duas teorias fundamentais da física moderna, a relatividade geral e o modelo padrão da física de partículas, fazem previsões muito diferentes sobre a energia do espaço vazio.
• As previsões entre as duas teorias discordam por um fator de 100 quintilhões de googol (ou seja, um seguido de 120 zeros).
• Várias teorias pretendem conciliar esta diferença gritante, mas não existe uma solução conhecida.

Dom Lincoln Compartilhe a pior previsão de toda a ciência no Facebook Compartilhe A pior previsão de toda a ciência no Twitter Compartilhe a pior previsão de toda a ciência no LinkedIn Este artigo é o primeiro de uma série sobre os maiores problemas da física.

Uma teoria científica bem-sucedida é aquela que faz previsões precisas e precisas. Os cientistas ficam ainda mais felizes quando duas teorias distintas fazem previsões que concordam entre si. Assim, os físicos ficam um pouco decepcionados quando usam as suas duas melhores teorias para prever a quantidade mais simples possível, e o resultado é que discordam de forma tão espectacular que é muitas vezes chamada de “a pior previsão na história da ciência”.

O espaço vazio está, bem, vazio. Não contendo nada, parece que calcular o energia do espaço vazio seria simples e a previsão seria zero. No entanto, essa expectativa não é correta.

As duas teorias que, quando combinadas, fundamentam toda a física moderna são chamadas de teoria da e da física de partículas. A relatividade geral descreve o comportamento da força da gravidade e se aplica a grandes estruturas do Universo. Em contraste, o modelo padrão da física de partículas é usado para explicar todas as outras forças e governa o mundo quântico das muito pequenas.

Ambas as teorias podem ser aplicadas ao espaço vazio. Então, o que acontece quando as duas teorias são usadas para calcular a densidade de energia de um vácuo verdadeiro?

A visão da relatividade geral

A teoria da relatividade geral de Einstein discute a forma e o movimento do próprio espaço. Há um século sabemos que o Universo está em expansão, e a teoria que descreve a evolução do Universo é chamada de Big Bang. Basicamente, a teoria diz que o Universo já foi menor, e algo fez com que a expansão começasse .

Dado que a gravidade é uma força atrativa, isto implica que após o início da expansão, esta desaceleraria. Por que? Porque toda a matéria do Universo atraiu todas as outras matérias.

Assim, foi muito surpreendente quando, em 1998, investigadores que estudavam a evolução do Universo descobriram que não só o Universo estava a expandir-se, mas que a expansão estava a acelerar. A única maneira de isso acontecer seria se o espaço tivesse uma energia pequena e distinta associada a ele. Se a energia fosse do tipo certo, resultaria em uma forma repulsiva de gravidade. Os investigadores chamam a esta gravidade repulsiva “,” e podem calcular quanta energia escura é necessária para explicar a evolução observada do Universo. Esta energia é muito pequena – equivalente a cerca de quatro átomos de hidrogénio por metro cúbico de espaço.

A visão da mecânica quântica

Então, o modelo padrão prevê a energia do espaço e, em caso afirmativo, como?

O modelo padrão diz que todo o espaço é preenchido com uma variedade de campos. Quando esses campos vibram de certas maneiras, as partículas do mundo quântico aparecem – elétrons, quarks, etc. No entanto, mesmo quando os campos estão quiescentes – nominalmente em repouso – permanece um “zumbido” residual contínuo, com pequenas vibrações transitórias no campos com uma variedade de comprimentos de onda. Como no mundo quântico partículas e ondas são a mesma coisa, isso implica que o espaço vazio contém uma mistura caótica de partículas efêmeras que aparecem e desaparecem essencialmente instantaneamente. Este estado de energia mais baixo dos vários campos é chamado de ponto zero, e a energia que eles contêm é chamada de “energia do ponto zero”.

Para calcular a energia do ponto zero do mundo quântico, some o efeito de todas as ondas quânticas. Em princípio, não há comprimento de onda mínimo, então você soma ondas cada vez mais curtas. Como comprimento de onda curto significa alta energia, isso significa adicionar energias cada vez mais altas. Levado ao extremo, você poderia somar comprimentos de onda próximos de zero com energia quase infinita - mas sabemos que o modelo padrão eventualmente falha em energias muito altas, então você só soma energias até um certo máximo (e, portanto, apenas para um certo comprimento de onda mínimo).

Exatamente qual exatamente a energia máxima deve ser usada nos cálculos é uma questão de disputa teórica, mas a maioria dos cientistas concorda que a energia mais alta possível para a qual o modelo padrão se aplica é chamada de . Se você usar essa energia como ponto de corte em seu cálculo, calculará que a energia do ponto zero é muito alta. A densidade de energia é equivalente a ter uma massa 100 quintilhões de vezes maior do que todo o Universo visível compactado em um metro cúbico.

A pior previsão de toda a ciência

Na verdade, por este cálculo simples, a densidade de energia prevista pelo modelo padrão é de cerca de 10 ¹²⁰ tempos previstos pela relatividade geral. Isso é um seguido por 120 zeros. Esta discrepância certamente merece o título de “a pior previsão de toda a ciência”.

O fator 10 ¹²⁰ é o pior cenário possível. Foram propostas teorias não comprovadas que melhoram a situação. Por exemplo, se uma teoria chamada supersimetria for verdadeira, a discordância será “apenas” um fator de 10 ⁶⁰ .

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Quando ocorre uma discordância tão grande, algo está muito errado com uma ou ambas as teorias. Continua a ser possível que a nossa compreensão teórica actual esteja errada, mas a relatividade geral descreve bem o cosmos e o modelo padrão faz um bom trabalho ao nível quântico. Somente quando os dois são comparados é que surge um problema.

Algumas soluções potenciais

Quais são algumas das soluções propostas? Bem, existem muitos. Por exemplo, surge do fato de que o modelo padrão assume que não existe a menor unidade de espaço. Isto significa que o menor volume que você possa imaginar pode ser dividido em unidades ainda menores em uma série interminável. Mas e se houver uma menor unidade de espaço – efetivamente um “átomo” de espaço? Se isso for verdade, então isso muda os cálculos e, em tal cenário, o desacordo entre a energia cósmica e a energia quântica pode desaparecer.

Outra ideia é que fomos enganados pelos nossos sentidos. À medida que experimentamos o mundo que nos rodeia, parecemos mover-nos em três dimensões espaciais. Se existisse, então isso mudaria radicalmente a nossa teoria da gravidade, o que significaria que os cálculos quânticos (atualmente realizados no espaço tridimensional) estão errados.

Embora a resposta final seja desconhecida, parece mais provável que o problema surja na nossa compreensão do mundo dos muito pequenos. Afinal, se a previsão do modelo padrão estivesse correta, o Universo teria se expandido tão rapidamente que estrelas, galáxias e humanos nunca teriam existido.

Mas um mistério é um mistério. O simples facto é que os investigadores não sabem porque é que as nossas teorias dos mundos cósmico e quântico fazem previsões tão diferentes. Apesar de décadas de esforços, a resposta escapou a algumas das mentes mais brilhantes da ciência. Teremos simplesmente que esperar até o dia futuro em que alguém resolva esse enigma cósmico e entre no panteão das lendas da física.

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