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Pergunte a Ethan: De onde vem a 'energia' para a energia escura?

Quanto mais longe olhamos, mais perto no tempo estamos vendo o Big Bang. O mais recente recordista de quasares vem de uma época em que o Universo tinha apenas 690 milhões de anos. Essas sondas cosmológicas ultradistantes também nos mostram um Universo que contém matéria escura e energia escura, mas não explica de onde vem essa energia. (JINYI YANG, UNIVERSIDADE DO ARIZONA; REIDAR HAHN, FERMILAB; M. NEWHOUSE NOAO/AURA/NSF)

Talvez a energia não seja conservada em um Universo em expansão.

Se você tem um Universo cheio de coisas – sejam átomos, matéria escura, radiação, neutrinos ou qualquer outra coisa – é praticamente impossível mantê-lo estático. O tecido do seu Universo, pelo menos na Relatividade Geral, deve expandir ou contrair nas maiores escalas. Mas se você tem um Universo cheio de energia escura, como parece ter, algo ainda mais preocupante acontece: a quantidade total de energia contida em nosso Universo observável aumenta com o tempo, sem fim à vista. Isso não viola a conservação de energia? É isso que David Ventura quer saber, ao perguntar:

[A] energia total do universo está aumentando de tal forma que a energia inerente ao espaço-tempo é mantida constante à medida que o universo se expande. É como se, para construir um quilômetro cúbico extra de espaço-tempo, você precisasse desses quanta de energia. Nem mais nem menos. Essa energia tem que vir de algum lugar. Em tudo o mais que conheço, energia (incluindo matéria via E = mc² ), não pode simplesmente aparecer do nada. Então, algo deve estar dando energia ao nosso universo para fazê-lo se expandir. ... Será que isso vai parar?

A verdade científica real do que está acontecendo é muito mais preocupante do que você imagina.

Os destinos esperados do Universo (três primeiras ilustrações) correspondem a um Universo onde a matéria e a energia lutam contra a taxa de expansão inicial. Em nosso Universo observado, uma aceleração cósmica é causada por algum tipo de energia escura, que até agora é inexplicável. Todos esses Universos são regidos pelas equações de Friedmann, que relacionam a expansão do Universo aos vários tipos de matéria e energia presentes nele. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

Em nosso Universo físico, existem duas coisas que estão inextricavelmente ligadas: a taxa de expansão do Universo e a quebra de todos os diferentes tipos de energia presentes nele. A regra fundamental da Relatividade Geral é que a matéria diz ao espaço como se curvar, enquanto o espaço curvo diz à matéria como se mover. Isso é verdade, mas não está completo. Não é apenas a matéria, mas também a energia que afeta a curvatura do espaço, e não é simplesmente a curvatura, mas também a taxa de expansão (ou contração) do espaço que é afetada. Em particular, é a densidade de energia que determina a taxa de expansão.

Mas existem diferentes formas de energia no Universo, e cada uma delas desempenha papéis ligeiramente diferentes em como a taxa de expansão muda ao longo do tempo.

Enquanto a matéria e a radiação se tornam menos densas à medida que o Universo se expande devido ao seu volume crescente, a energia escura é uma forma de energia inerente ao próprio espaço. À medida que um novo espaço é criado no Universo em expansão, a densidade de energia escura permanece constante. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

Para algo como a matéria normal, suas contribuições de energia são realmente intuitivas. A matéria é feita de partículas que contêm massa e, mesmo quando o Universo muda, as próprias partículas individuais permanecem as mesmas. Com o tempo, o volume do Universo aumenta e, à medida que isso acontece, a densidade total da matéria diminui. A densidade é a massa sobre o volume: a massa permanece a mesma, o volume aumenta e, assim, a densidade diminui. Se tudo o que tivéssemos no Universo fosse matéria, a taxa de expansão cairia à medida que a densidade da matéria caísse.

À medida que o tecido do Universo se expande, os comprimentos de onda de qualquer radiação presente também são esticados. Isso faz com que o Universo se torne menos energético, e faz com que muitos processos de alta energia que ocorrem espontaneamente nos primeiros tempos sejam impossíveis em épocas mais frias e posteriores. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

Para radiação, há um componente extra para isso. Claro, a radiação também é feita de partículas e, à medida que o volume se expande, a densidade numérica dessas partículas diminui, assim como acontece com a matéria. Mas a radiação tem um comprimento de onda, e esse comprimento de onda é esticado pelo Universo em expansão. Comprimentos de onda mais longos significam energias mais baixas e, portanto, a taxa de expansão cai mais rapidamente em um universo cheio de radiação do que em um cheio de matéria.

Mas para um Universo cheio de energia escura, a história é muito diferente. A energia escura é causada pela energia inerente ao próprio tecido do espaço e, à medida que o Universo se expande, é a densidade de energia – a energia por unidade de volume – que permanece constante. Como resultado, um Universo cheio de energia escura verá sua taxa de expansão permanecer constante, em vez de cair.

Vários componentes e contribuintes para a densidade de energia do Universo e quando eles podem dominar. Se as cordas cósmicas ou paredes de domínio existissem em quantidade apreciável, elas contribuiriam significativamente para a expansão do Universo. Pode até haver componentes adicionais que não vemos mais ou que ainda não apareceram! Observe que no momento em que chegamos hoje, a energia escura domina, a matéria ainda é um pouco importante, mas a radiação é insignificante. No passado muito distante, apenas a radiação era importante. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

Espere, você pode objetar, pensando, pensei que você disse que a expansão do Universo estava acelerando?

Há um ponto muito importante aqui que não é enfatizado o suficiente: há duas coisas diferentes sobre as quais os cientistas falam quando se trata da expansão do Universo. Uma é a taxa de expansão – ou a taxa de Hubble – do Universo. Isso se comporta exatamente como descrevemos acima: cai para matéria, cai mais rápido para radiação e assíntota para uma constante positiva para energia escura. Mas a segunda coisa é a rapidez com que uma galáxia individual parece se afastar de nós ao longo do tempo.

Uma ilustração de como os desvios para o vermelho funcionam no Universo em expansão. À medida que uma galáxia fica cada vez mais distante, ela deve viajar uma distância maior e por um tempo maior através do Universo em expansão. Em um Universo dominado pela energia escura, isso significa que as galáxias individuais parecerão acelerar em sua recessão de nós . (LARRY MCNISH DO RASC CALGARY CENTER)

Com o passar do tempo, uma galáxia fica cada vez mais distante de nós. Como a taxa de expansão é uma velocidade por unidade de distância (por exemplo, 70 km/s/Mpc), uma galáxia que está mais distante (digamos, 100 Mpc vs. 10 Mpc) parecerá retroceder em uma velocidade mais rápida (7.000 km /s vs. 700 km/s). Se o seu Universo está cheio de matéria ou radiação, a taxa de expansão cai mais rápido do que a distância da sua galáxia aumenta, então a velocidade de recessão líquida cairá com o tempo: seu Universo estará desacelerando. Se o seu Universo é dominado pela energia escura, no entanto, a velocidade líquida de recessão aumentará com o tempo: seu Universo está acelerando.

Nosso Universo, hoje, é feito de aproximadamente 68% de energia escura. A partir de cerca de 6 bilhões de anos atrás, nosso Universo mudou de aceleração de desaceleração, com base no equilíbrio de todas as coisas diferentes dentro dele.

A importância relativa de diferentes componentes de energia no Universo em vários momentos no passado. Observe que quando a energia escura atingir um número próximo de 100% no futuro, a densidade de energia do Universo (e, portanto, a taxa de expansão) permanecerá constante arbitrariamente muito à frente no tempo. (E. SIEGEL)

Mas como isso é bom? Parece que um Universo cheio de energia escura não conserva energia. Se a densidade de energia – energia por unidade de volume – permanece constante, mas o volume do Universo está aumentando, isso não significa que a quantidade total de energia no Universo está aumentando? E isso não viola a conservação de energia?

Isso deve incomodá-lo! Afinal, pensamos que a energia deve ser conservada em todo e qualquer processo físico que ocorre no Universo. A Relatividade Geral oferece uma possível violação da conservação de energia?

Se você tivesse um espaço-tempo estático que não mudasse, a conservação de energia seria garantida. Mas se o tecido do espaço muda à medida que os objetos nos quais você está interessado se movem por eles, não há mais uma lei de conservação de energia sob as leis da Relatividade Geral. (DAVID CAMPEÃO, INSTITUTO MAX PLANCK DE RÁDIO ASTRONOMIA)

A resposta assustadora é talvez, na verdade. Existem muitas grandezas que a Relatividade Geral faz um trabalho excelente e preciso de definição, e energia não é uma delas. Em outras palavras, não há nenhuma exigência de que a energia deva ser conservada a partir das equações de Einstein; a energia global não é definida pela Relatividade Geral! Na verdade, podemos fazer uma declaração muito geral sobre quando a energia é e não é conservada. Quando você tem partículas interagindo em um fundo estático de espaço-tempo, a energia é realmente conservada. Mas quando o espaço através do qual as partículas se movem está mudando , a energia total dessas partículas não é conservada. Isso é verdade para fótons desviando para o vermelho em um Universo em expansão, e é verdade para um Universo dominado pela energia escura.

Mas essa resposta, embora tecnicamente correta, não é o fim da história. Podemos chegar a uma nova definição de energia quando o espaço está mudando; mas temos que ter cuidado quando o fazemos.

Existe um maneira muito inteligente de olhar para a energia que nos permite mostrar, de fato, que a energia se conserva mesmo nessa situação aparentemente paradoxal. Quero que você lembre que, além das energias químicas, elétricas, térmicas, cinéticas, potenciais, entre outras, há também trabalhar . Trabalho, na física, é quando você aplica uma força a um objeto na mesma direção da distância que ele se move; isso adiciona energia ao sistema. Se a direção for oposta, você realiza trabalho negativo; isso subtrai energia do sistema.

À medida que moléculas ou átomos individuais se movem dentro de um recipiente fechado, eles exercem uma pressão externa nas paredes do recipiente. À medida que você aquece o gás, as moléculas se movem mais rápido e a pressão aumenta. (Usuário do Wikimedia Commons Greg L (A. Greg))

Uma boa analogia é pensar em gás. O que acontece se você aquecer (adicionar energia a) esse gás? As moléculas dentro se movem mais rápido à medida que ganham energia, o que significa que aumentam sua velocidade e se espalham para ocupar mais espaço mais rapidamente.

Mas o que acontece, em vez disso, se você aquecer o gás que está dentro de um recipiente?

Sim, as moléculas aquecem, se movem mais rápido e tentam se espalhar, mas, neste caso, muitas vezes colidem com as paredes do recipiente, criando uma pressão positiva extra nas paredes. As paredes do recipiente são empurradas para fora, o que custa energia: as moléculas estão trabalhando nele!

Os efeitos do aumento da temperatura de um gás dentro de um recipiente. A pressão externa pode resultar em um aumento de volume, onde as moléculas internas trabalham nas paredes do recipiente. (BLOG DE CIÊNCIAS DE BEN BORLAND (BENNY B)))

Isso é muito, muito análogo ao que acontece no Universo em expansão. Se o seu Universo estivesse cheio de radiação (fótons), cada quantum teria uma energia, dada por um comprimento de onda, e à medida que o Universo se expande, esse comprimento de onda do fóton é esticado. Claro, os fótons estão perdendo energia, mas há trabalho sendo feito no próprio Universo por tudo com uma pressão dentro dele!

Por outro lado, se o seu Universo estiver cheio de energia escura, ele também terá não apenas uma densidade de energia, mas também uma pressão. A grande diferença, porém, é que a pressão da energia escura é negativa, o que significa que temos a situação oposta da radiação. À medida que as paredes do contêiner se expandem, elas trabalham no próprio tecido do espaço!

Convencionalmente, estamos acostumados a que as coisas se expandam porque há uma pressão positiva (para fora) vindo de dentro delas. O contra-intuitivo sobre a energia escura é que ela tem uma pressão de sinal oposto, mas ainda faz com que o tecido do espaço se expanda.

Então, de onde vem a energia para a energia escura? Ela vem do trabalho negativo feito na expansão do próprio Universo. Houve um artigo escrito em 1992 por Carroll, Press e Turner , que tratou exatamente dessa questão. Nele, eles afirmam:

…o patch faz um trabalho negativo em seu entorno, porque tem pressão negativa. Assumindo que a mancha se expande adiabaticamente, pode-se equiparar este trabalho negativo ao aumento de massa/energia da mancha. Assim, recupera-se a equação de estado correta para a energia escura: P = — ρc² . Então a matemática é consistente.

O que, novamente, ainda não significa que a energia seja conservada. Ele simplesmente nos dá uma maneira inteligente de olhar para este problema.

Há um grande conjunto de evidências científicas que apoiam a imagem do Universo em expansão e do Big Bang, completo com energia escura. A expansão acelerada tardia não conserva estritamente energia, mas o raciocínio por trás disso também é fascinante. (NASA/GSFC)

Esta é uma das questões cosmológicas mais profundas que já respondi para o Ask Ethan. As duas principais conclusões são as seguintes:

1. Quando as partículas interagem em um espaço-tempo imutável, a energia deve ser conservada. Quando o espaço-tempo em que estão muda, essa lei de conservação não é mais válida.
2. Se você redefinir a energia para incluir o trabalho realizado, tanto positivo quanto negativo, por um pedaço de espaço em seu entorno, você pode economizar a conservação de energia em um Universo em expansão. Isso é verdade tanto para quantidades de pressão positiva (como fótons) quanto para quantidades de pressão negativa (como energia escura).

Mas essa redefinição não é robusta; é simplesmente uma redefinição matemática que podemos usar para forçar a conservação de energia. A verdade da questão é que a energia não é conservada em um Universo em expansão. Talvez em uma teoria quântica da gravidade , será. Mas na Relatividade Geral, não temos uma boa maneira de defini-la.

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

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . 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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