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Pergunte a Ethan: Qual é a 'energia de ponto zero' do espaço?

Alguns termos que contribuem para a energia do ponto zero na eletrodinâmica quântica. Embora frequentemente assumamos o valor dessas contribuições para a soma do vácuo quântico a zero, não há base sólida para essa suposição. (R. L. JAFFE; ARXIV: 0503158)

Mesmo se você remover tudo o que puder do Universo, alguma energia ainda permanecerá. Aqui está o que isso significa.

Imagine, se puder, o que significaria ter um Universo sem absolutamente nada nele. Você poderia pegar todos os vários quanta de matéria e energia e removê-los, deixando um Universo sem partículas ou antipartículas de qualquer tipo. Você pode remover quaisquer fontes de gravitação ou curvatura espacial, reduzindo seu Universo a nada mais do que espaço puramente vazio. Você pode proteger o Universo de quaisquer campos elétricos, magnéticos ou externos que exerçam uma força nuclear, eliminando qualquer possível influência que possam ter no espaço-tempo que você está considerando. Mesmo se você fizer tudo isso, você ainda não obteria zero em seu balanço para a energia do Universo. É isso que Niels Hermes quer saber, enquanto escreve para perguntar:

Seria possível lançar luz sobre o conceito de energia de ponto zero?

É um conceito desafiador, mas vamos tentar.

Um campo escalar φ em um falso vácuo. Observe que a energia E é maior do que no vácuo verdadeiro ou estado fundamental, mas há uma barreira que impede o campo de rolar classicamente para o vácuo verdadeiro. Observe também como o estado de energia mais baixa (vácuo verdadeiro) pode ter um valor finito, positivo e diferente de zero. Sabe-se que a energia do ponto zero de muitos sistemas quânticos é maior que zero. (USUÁRIO DO WIKIMEDIA COMMONS STANNERED)

Para qualquer sistema físico que possamos imaginar, sempre haverá pelo menos uma configuração na qual podemos colocá-lo 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 elétron, isso é um átomo de hidrogênio no estado fundamental (ou seja, de menor energia). E para o próprio Universo, isso é criar um espaço vazio na ausência de quaisquer campos ou fontes externas.

Esse estado de energia mais baixa é conhecido como estado de energia do ponto zero. Por muito tempo, os cientistas que estudaram o Universo assumiram que a energia do ponto zero era zero. Não por qualquer razão física, veja bem, mas porque só tínhamos duas maneiras de tentar chegar a isso, e ambas deram respostas que apontavam para problemas com qualquer valor diferente de zero.

Inúmeros testes científicos da teoria geral da relatividade de Einstein foram realizados, submetendo a ideia a algumas das restrições mais rigorosas já obtidas pela humanidade. A presença de matéria e energia no espaço diz ao espaço-tempo como se curvar, e esse espaço-tempo curvo diz à matéria e à energia como se mover. Mas também há um parâmetro livre: a energia do ponto zero do espaço, que entra na Relatividade Geral como uma constante cosmológica. Isso descreve com precisão a energia escura que observamos, mas não explica seu valor. (COLABORAÇÃO CIENTÍFICA LIGO / 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.

Bem, quase. A presença de matéria e energia determina quase completamente a curvatura do espaço, mas você é livre para adicionar uma constante ao próprio espaço. (Aqueles de vocês que fizeram cálculo reconhecerão essa constante como algo que surge sempre que você faz uma integral: você determina a resposta completamente, até uma constante aditiva, mais c.) Essa constante, seja ela qual for, representa o zero- energia pontual do espaço. Quando descobrimos o Universo em expansão, a constante era completamente desnecessária e foi descartada como tal por mais de 60 anos.

Hoje, os diagramas de Feynman são usados ​​no cálculo de todas as interações fundamentais abrangendo as forças forte, fraca e eletromagnética, inclusive em condições de alta energia e baixa temperatura/condensadas. Eles podem ser desenhados não apenas para partículas que entram e saem de uma interação, como mostrado aqui, 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 quântica de campos ganhou destaque. Além de todas as maneiras pelas quais as partículas podem interagir umas com as outras através dos campos quânticos que permeiam o Universo, também havia contribuições do vácuo, que representavam como os campos quânticos no vácuo do espaço se comportavam.

Canais individuais contribuíram com enormes quantidades para o que chamamos de valor de expectativa de vácuo desses campos, que normalmente eram cerca de 120 ordens de magnitude maiores que os limites observacionais. Mas alguns foram positivos e alguns foram negativos, e muitos assumiram que todos se cancelariam. Além disso, algumas teorias de campo provaram ser exatamente equivalentes às teorias livres (cujos valores de expectativa de vácuo eram zero), e assim, novamente, assumimos que a energia do ponto zero era zero.

Se a expansão do Universo acelera ou desacelera depende não apenas da densidade de energia do Universo (ρ), mas também da pressão (p) dos vários componentes da energia. Para algo como energia escura, onde a pressão é grande e negativa, o Universo acelera, em vez de desacelerar, ao longo do tempo. Isso foi indicado pela primeira vez por resultados de supernovas, mas desde então foi corroborado por medições de estrutura em larga escala, o fundo cósmico de micro-ondas e outros métodos independentes de medição do Universo. (NASA & ESA / E. SIEGEL)

E então, bem no final do século 20, o impensável aconteceu. Sempre antecipamos que o Universo estava se expandindo, que a gravidade estava trabalhando para retardar a expansão e que:

• a gravitação venceria e a expansão reverteria,
• a expansão venceria e continuaria a desacelerar para todo o sempre,
• ou eles se equilibrariam exatamente, e a expansão seria assíntota a zero, mas nunca totalmente reversa.

Mas então descobrimos que a expansão do Universo não estava diminuindo, mas que galáxias distantes estavam se afastando de nós cada vez mais rápido com o passar do tempo. O Universo não tinha apenas matéria e radiação, mas parecia ter uma nova forma de energia: o que agora chamamos de energia escura. Nos 22 anos desde que a primeira descoberta ocorreu, não apenas a energia escura foi confirmada por muitas linhas de evidência, mas também demonstrou ser indistinguível, com grande precisão, de uma constante cosmológica.

O sombreamento azul representa as possíveis incertezas em como a densidade de energia escura foi/será diferente no passado e no futuro. Os dados apontam para uma verdadeira constante cosmológica, mas outras possibilidades ainda são permitidas. À medida que a matéria se torna cada vez menos importante, a energia escura se torna o único termo que importa. A taxa de expansão caiu ao longo do tempo, mas agora assíntota para cerca de 55 km/s/Mpc. (HISTÓRIAS QUÂNTICAS)

É por isso que nos preocupamos com a energia do ponto zero do espaço. Observações de muitas linhas de evidência – incluindo o fundo cósmico de micro-ondas, fontes distantes de luz (como supernovas) e o agrupamento de galáxias no Universo – apontam para o mesmo valor minúsculo e diferente de zero da quantidade de energia escura no universo. Universo. Parece ser uma forma de energia inerente ao próprio espaço, parece não mudar com o tempo, parece ter uma densidade constante em todos os lugares e sempre, e não sabemos o que está causando isso.

É por isso que temos uma motivação tão forte para tentar entender o que é a energia do ponto zero do espaço: justamente porque medimos a expansão do Universo, que depende dela, ser inconsistente com um valor zero para essa quantidade. Assim como os átomos de hidrogênio têm uma energia finita para seu estado fundamental, a energia do estado fundamental do próprio espaço vazio também deve.

Em vez de adicionar uma constante cosmológica, a energia escura moderna é tratada como apenas mais um 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 UNIVERSIDADE DE TÓQUIO; KAVLI IPMU)

Isso nos leva à grande questão: por quê? Por que a energia do ponto zero do espaço é o valor que é? Existem muitas respostas plausíveis, mas cada uma delas é insatisfatória de alguma forma.

Pode ser que a constante cosmológica da Relatividade Geral simplesmente tenha o valor positivo que tem. É permitido assumir qualquer valor, e tudo o que observamos é consistente com a energia do ponto zero do espaço tendo um valor pequeno, constante e positivo desde o início do Big Bang quente. Isso é atraente porque não precisa invocar nenhuma nova física: podemos explicar o que observamos definindo um parâmetro livre igual ao valor observado correto. Mas é insatisfatório porque não há mecanismo ou raciocínio para nos ajudar a entender por que tem o valor que tem.

Visualização de um cálculo da teoria quântica de campos mostrando partículas virtuais no vácuo quântico. (Especificamente, para as interações fortes.) Mesmo no espaço vazio, essa energia do vácuo é diferente de zero, e o que parece ser o 'estado fundamental' em uma região do espaço curvo parecerá diferente da perspectiva de um observador onde o espaço curvatura é diferente. Enquanto os campos quânticos estiverem presentes, essa energia do vácuo (ou uma constante cosmológica) também deve estar presente. (DEREK LEINWEBER)

Alternativamente, pode ser que a energia do ponto zero de todos os campos quânticos que permeiam o Universo somam o valor observado necessário para a energia escura. Talvez, se soubéssemos calcular esse valor corretamente, chegaríamos à resposta correta.

O problema com esse cenário é que não sabemos como fazer esse cálculo, e todas as nossas tentativas nos dão uma resposta ridiculamente grande demais. É possível que ocorra um cancelamento quase perfeito, mas não exatamente, levando-nos ao valor correto, mas essa é uma proposta difícil de apostar. Não sabemos como fazer isso, e a tarefa parece difícil, mas não se provou impossível, não é exatamente uma linha de pensamento convincente.

A gravidade quântica tenta combinar a teoria geral da relatividade de Einstein com a mecânica quântica. As correções quânticas à gravidade clássica são visualizadas como diagramas de loop, como o mostrado aqui em branco. É possível que as contribuições da gravidade quântica para a energia do ponto zero do espaço sejam responsáveis ​​pela energia escura que vemos em nosso Universo hoje, mas essa é apenas uma das muitas possibilidades viáveis. (LACELERATOR LABORATÓRIO NACIONAL DO SLAC)

Mas sempre há novos cenários físicos a serem considerados também. É possível que não haja constante cosmológica e nenhuma contribuição para a energia do ponto zero dos campos quânticos que conhecemos. Em vez disso, poderíamos postular um novo tipo de campo no Universo, que poderia ser:

• uma contribuição de qualquer teoria quântica da gravidade acaba sendo correta,
• uma relíquia remanescente de uma simetria anterior quebrada no Universo (da grande escala de unificação, a escala de Higgs, o setor de neutrinos, etc.) que simplesmente define a energia do ponto zero para seu valor atualmente diferente de zero,
• que há uma quantidade relíquia de energia que não chegou a zero desde nossa época inflacionária anterior,
• ou que a ideia altamente especulativa da paisagem das cordas, que em si requer muitas suposições não comprovadas e sem evidências sobre como o Universo se comportou antes do Big Bang quente, simplesmente pousou no valor que vemos hoje para o valor da energia do ponto zero (ou valor esperado de vácuo) do espaço vazio.

Na ausência de uma solução, todas as possibilidades – não importa quão mal-motivadas pareçam – devem ser consideradas.

Em um nível fundamental, mesmo o espaço puramente vazio ainda é preenchido com campos quânticos, que afetam o valor da energia do ponto zero do espaço. Até sabermos como realizar esse cálculo, devemos ou fazer uma suposição sobre o valor a que chegamos ou admitir que não sabemos como realizar esse cálculo. (NASA/CXC/M.WEISS)

Mas não importa qual seja a resposta para o quebra-cabeça da energia do ponto zero, há dois fatos que não podemos negar. A primeira é que a energia escura é real, corroborada por uma série de evidências independentes das quais nosso Universo simplesmente não pode prescindir. É consistente com ter um valor constante em todo o espaço e ao longo do tempo: ele se comporta de uma maneira indistinguível do espaço com uma energia de ponto zero constante e diferente de zero.

O segundo fato é que, seja qual for a solução, ainda temos que contar com a presença de campos quânticos – exigidos pelas leis da física – permeando 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 do ponto zero do espaço vazio é inconsistente com um valor de zero. Existem muitas origens possíveis desse valor diferente de zero, mas sua causa final ainda permanece um mistério.

Envie suas perguntas Ask Ethan para beginwithabang no gmail ponto com !

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium com um atraso de 7 dias. Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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