• Começa com um estrondo

O Universo é fundamentalmente instável?

O próprio espaço vazio, o vácuo quântico, pode estar em um estado verdadeiro e estável ou em um estado falso e instável. Nosso destino depende da resposta.

Principais conclusões

• Não há dúvida mais importante para o destino de longo prazo do nosso Universo, especialmente devido à presença de energia escura, do que a estabilidade do vácuo quântico.
• Se for inerentemente estável, então a energia escura pode manter seu valor atual e as leis da física podem permanecer as mesmas arbitrariamente no futuro; nosso destino será uma eventual morte por calor.
• Mas se for instável, então o vácuo quântico pode decair para um mais estável. estado de baixa energia. Se isso ocorrer, nosso Universo mudará fundamentalmente e nosso fim será rápido, brutal e aterrorizante.

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Existem certas propriedades sobre o Universo que, para o bem ou para o mal, damos como certo. As leis da física, presumimos, são as mesmas em outros locais do espaço e em outros momentos do tempo, assim como no aqui e agora. As constantes fundamentais que relacionam várias propriedades físicas do nosso Universo são consideradas como realmente possuindo o mesmo valor constante em todos os tempos e lugares. O fato de o Universo parecer consistente com essas suposições – pelo menos até os limites de nossas observações – parece apoiar essa visão, colocando grandes restrições sobre o quanto é possível que esses vários aspectos da realidade tenham evoluído.

Onde e quando pudermos medir ou inferir as propriedades físicas fundamentais do Universo, parece que elas não mudam ao longo do tempo ou do espaço: são as mesmas para todos. Mas antes, o Universo passou por transições: de estados de alta energia para estados de baixa energia. Algumas das condições que surgiram espontaneamente sob essas condições de alta energia não podiam mais persistir em energias mais baixas, tornando-as instáveis. Todos os estados instáveis ​​têm uma coisa em comum: eles decaem. E em uma das realizações mais aterrorizantes de todas, aprendemos que o próprio tecido do nosso Universo pode ser inerentemente uma dessas coisas instáveis ​​também. Aqui está o que sabemos, hoje, sobre o quão precária é nossa existência contínua.

Cada planeta que orbita uma estrela tem cinco locais ao seu redor, pontos de Lagrange, que co-orbitam. Um objeto localizado precisamente em L1, L2, L3, L4 ou L5 continuará a orbitar o Sol com precisamente o mesmo período que a Terra, o que significa que a distância Terra-nave espacial será constante. L1, L2 e L3 são pontos de equilíbrio instáveis, exigindo correções periódicas de curso para manter a posição de uma espaçonave ali, enquanto L4 e L5 são estáveis. O JWST, por exemplo, inseriu-se com sucesso em órbita ao redor de L2, e deve estar sempre de costas para o Sol para fins de resfriamento.

Em qualquer sistema físico - ou seja, um sistema composto de partículas que interagem por meio de uma ou mais forças - há pelo menos uma maneira de configurá-las que é mais estável do que qualquer outra maneira de fazê-lo. Isso é o que chamamos de estado de energia mais baixa, ou estado fundamental, de um sistema.

• Os planetas se organizam em uma forma esferoidal que representa o equilíbrio hidrostático, com elementos mais densos no centro e elementos menos densos nas periferias. Eles também tendem a estados mais estáveis ​​ao longo do tempo, pois cada grande terremoto altera a distribuição da massa da Terra, fazendo com que sua rotação acelere como efeito colateral.
• Planetas dentro de sistemas estelares normalmente se organizam em órbitas ressonantes, quase circulares, à medida que suas influências gravitacionais mútuas “eliminam” imperfeições ao longo do tempo, às vezes ao custo de ejetar gravitacionalmente um ou mais membros.
• E bolas colocadas em uma superfície montanhosa tenderão a rolar para o vale abaixo, parando no fundo: na elevação mais baixa possível que suas condições iniciais lhes permitiram alcançar.

Quando vemos algo como uma bola equilibrada precariamente no topo de uma colina, isso parece ser o que chamamos de estado de sintonia fina, ou estado de equilíbrio instável. Uma posição muito mais estável é a bola estar em algum lugar no fundo do vale. Sempre que nos deparamos com uma situação física bem afinada, há boas razões para buscar uma explicação com motivação física para ela; quando temos colinas com falsos mínimos, é possível ficar preso em uma e não chegar ao mínimo “verdadeiro”.

Só que esse último exemplo tem uma pegadinha: às vezes, se suas condições não estiverem exatamente certas, sua bola não vai acabar no estado de menor energia possível. Em vez disso, ele pode rolar em um vale ainda mais baixo do que onde começou, mas isso não representa o verdadeiro estado fundamental do sistema. Esse estado pode acontecer naturalmente para uma grande variedade de sistemas físicos, e geralmente pensamos nisso como se o sistema estivesse “desligado” em algum tipo de falso mínimo. Mesmo que seja energeticamente mais estável no estado fundamental, ou em seu verdadeiro mínimo, não pode necessariamente chegar lá por conta própria.

O que você pode fazer quando está preso em um falso mínimo?

Se você é um sistema clássico, a única solução é Sísifo: você precisa inserir energia suficiente em seu sistema - independentemente de ser energia cinética, energia química, energia elétrica etc. - para 'expulsar' esse sistema do falso mínimo. Se você conseguir superar a próxima barreira de energia, terá a oportunidade de terminar em um estado ainda mais estável: um estado que o leva para mais perto e possivelmente até o estado fundamental. Somente no verdadeiro estado fundamental é impossível fazer a transição para um estado de energia ainda mais baixo.

Se você extrair qualquer potencial, ele terá um perfil em que pelo menos um ponto corresponde ao estado de energia mais baixa, ou “vácuo verdadeiro”. Se houver um falso mínimo em qualquer ponto, isso pode ser considerado um falso vácuo. No mundo clássico, você deve superar a “colina” ou barreira que o limita ao falso mínimo para chegar a outro lugar. Mas, supondo que este seja um campo quântico, é possível fazer um túnel quântico diretamente do falso vácuo para o verdadeiro estado de vácuo.

Isso é o que é verdade para um sistema clássico. Mas o Universo não é puramente clássico por natureza; em vez disso, vivemos em um universo quântico. Inerentemente, os sistemas quânticos não apenas passam pelos mesmos tipos de reorganizações que os sistemas clássicos – onde a entrada de energia pode expulsá-los de estados de equilíbrio instáveis ​​– mas também têm outro efeito ao qual estão sujeitos: tunelamento quântico.

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O tunelamento quântico é um empreendimento probabilístico, mas que não requer o que você pode pensar como “energia de ativação” para superar essa corcunda que o mantém nesse estado de equilíbrio instável. Em vez disso, dependendo de detalhes como o quão longe seu campo está do verdadeiro estado de equilíbrio e quão alta a barreira está impedindo você de sair do falso mínimo em que você está preso, há uma certa probabilidade de que você possa sair espontaneamente do seu estado de equilíbrio instável e encontrar-se, de repente, em um mínimo mais estável (ou mesmo o verdadeiro) de seu sistema quântico.

Ao contrário do caso puramente clássico, isso pode acontecer espontaneamente, sem necessidade de influência externa, energética ou ímpeto.

Esta ilustração genérica de tunelamento quântico assume que há uma barreira alta, fina, mas finita, separando uma função de onda quântica de um lado do eixo x do outro. Embora a maior parte da função de onda e, portanto, a probabilidade do campo/partícula para o qual é um proxy, reflita e permaneça no lado original, há uma probabilidade finita e diferente de zero de tunelamento para o outro lado da barreira.

Alguns exemplos comuns de sistemas quânticos que exibem tunelamento envolvem átomos e suas partículas constituintes.

• Os elétrons dentro dos átomos, por exemplo, muitas vezes se encontram em um estado excitado: onde estão em um nível de energia mais alto que o estado fundamental. Muitas vezes, isso ocorre porque outros elétrons estão nesses estados de energia mais baixa; se estiverem todos ocupados, então esse elétron está em sua configuração de energia mais baixa. Às vezes, há “aberturas” nesses estados de energia mais baixa, e esses elétrons de energia mais alta cairão espontaneamente em cascata, emitindo energia no processo. Mas outras vezes - devido a efeitos sutis como interações spin-órbita ou divisão hiperfina - há um estado mais estável, mas o caminho espontâneo é proibido pelas regras da mecânica quântica. No entanto, você ainda pode sair do estado de equilíbrio instável e chegar ao estado fundamental via tunelamento quântico: a fonte do famoso linha de hidrogênio de 21 cm .
• Os núcleos atômicos, compostos de prótons e nêutrons, sempre têm uma configuração mais estável para qualquer número único de prótons e nêutrons que compõem esse núcleo. Para núcleos muito pesados, no entanto, às vezes esse núcleo seria mais estável se um de seus nêutrons decaísse radioativamente, ou se emitisse um núcleo de hélio-4 (com 2 prótons e 2 nêutrons) e depois se reconfigurasse em um novo arranjo. Esses decaimentos quânticos inerentemente probabilísticos também fazem um túnel espontâneo de um estado menos estável para um mais estável.

Elementos pesados ​​e instáveis ​​irão decair radioativamente, normalmente emitindo uma partícula alfa (um núcleo de hélio) ou sofrendo decaimento beta, como mostrado aqui, onde um nêutron se converte em um próton, elétron e neutrino anti-elétron. Ambos os tipos de decaimento alteram o número atômico do elemento, produzindo um novo elemento diferente do original e resultam em uma massa menor para os produtos do que para os reagentes. Essas transições quânticas são espontâneas, mas probabilísticas e imprevisíveis por natureza, mas sempre levam o sistema geral a um estado geral mais estável e de menor energia.

Bem, você sabe o que é o sistema quântico final?

O próprio espaço vazio. O espaço vazio – mesmo sem quaisquer partículas, quanta ou campos externos presentes – ainda parece ter uma quantidade diferente de zero de energia inerente a ele. Isso se evidencia através dos efeitos observados da energia escura e, embora corresponda a uma densidade de energia muito pequena, de pouco mais de um próton de energia por metro cúbico de espaço, ainda é um valor positivo, finito e diferente de zero.

Também sabemos que, independentemente de quanto você remova de qualquer região específica do espaço, você não pode se livrar dos campos quânticos fundamentais que descrevem as interações e forças inerentes ao Universo. Assim como você não pode ter “espaço” sem as leis da física, você não pode ter uma região sem a presença de campos quânticos devido (pelo menos) às forças do Modelo Padrão.

Há muito se supunha, embora não tivesse sido testado, que, por não sabermos como calcular a energia inerente ao espaço vazio - o que os teóricos do campo quântico chamam de valor de expectativa do vácuo - de qualquer maneira que não produza um absurdo completo, provavelmente tudo simplesmente se cancela. Mas a medição da energia escura, e que ela afeta a expansão do Universo e deve ter um valor positivo, diferente de zero, nos diz que ela não pode se anular. Os campos quânticos que permeiam todo o espaço dão um valor positivo e diferente de zero ao vácuo quântico.

Mesmo no vácuo do espaço vazio, desprovido de massas, cargas, espaço curvo e quaisquer campos externos, as leis da natureza e os campos quânticos subjacentes a elas ainda existem. Se você calcular o estado de energia mais baixa, poderá descobrir que não é exatamente zero; a energia do ponto zero (ou vácuo) do Universo parece ser positiva e finita, embora pequena. Não sabemos se este é um verdadeiro estado de vácuo ou não.

Agora, aqui está a grande questão: o valor que estamos medindo para a energia escura, hoje, é o mesmo valor que o Universo reconhece como seu “verdadeiro mínimo” para as contribuições do vácuo quântico para a densidade de energia do espaço?

Se for, então ótimo: o Universo será estável para todo o sempre, pois não há estado de energia mais baixa para ele entrar em túnel quântico.

Mas se não estivermos em um mínimo verdadeiro, e houver um mínimo verdadeiro lá fora que realmente represente uma configuração de energia mais baixa e mais estável do que aquela em que nos encontramos atualmente (e todo o Universo), sempre há uma probabilidade que eventualmente faremos um túnel quântico para esse verdadeiro estado de vácuo.

Esta última opção, infelizmente, não é tão boa. O estado de vácuo do Universo, lembre-se, depende das leis fundamentais, quanta e constantes subjacentes ao nosso Universo. Se fizermos a transição espontânea de nosso estado atual de vácuo para um diferente, de menor energia, não é apenas que o espaço agora assumiria uma configuração diferente. Na verdade, por necessidade, teríamos pelo menos um dos seguintes:

• um conjunto diferente de leis físicas,
• um conjunto diferente de interações quânticas que podem ocorrer,
• e/ou um conjunto diferente de constantes fundamentais.

Se essa mudança ocorresse espontaneamente, o que aconteceria a seguir seria uma catástrofe que acabaria com o Universo.

Em um futuro distante, é concebível que o vácuo quântico decaia de seu estado atual para um estado de energia mais baixa e ainda mais estável. Se tal evento ocorresse, cada próton, nêutron, átomo e outra estrutura composta no Universo se destruiria espontaneamente em um evento notavelmente destrutivo, cujos efeitos se propagariam e se propagariam em uma esfera à velocidade da luz. Essa “bolha de destruição” seria imperceptível até que chegasse.

Onde quer que o vácuo quântico tenha passado desse falso estado de vácuo para o verdadeiro estado de vácuo, tudo o que reconhecemos como um estado ligado de quanta – coisas como prótons e nêutrons, núcleos atômicos, átomos e tudo o que eles compõem, por exemplo – seria imediatamente destruído. À medida que as partículas fundamentais que compõem a realidade se reorganizam de acordo com essas novas regras, tudo, desde moléculas a planetas, estrelas a galáxias, seria desfeito, incluindo seres humanos e quaisquer organismos vivos.

Sem saber qual é o verdadeiro estado de vácuo e quais são esses novos conjuntos de leis, interações e constantes pelos quais nossos atuais seriam substituídos, não temos como prever que tipos de novas estruturas surgiriam. Mas podemos saber que não apenas os que vemos hoje deixariam de existir, mas que onde quer que essa transição ocorresse, ela se propagaria na velocidade da luz, “infectando” o espaço à medida que se expandia com uma grande bolha de destruição. Mesmo com o Universo se expandindo, e mesmo com essa expansão acelerando devido à energia escura, se um evento de decaimento do vácuo como o previsto aqui ocorresse em qualquer lugar dentro de 18 bilhões de anos-luz de nós, no presente, ele acabaria nos atingindo, destruindo cada átomo na velocidade da luz em um quando o fez.

O tamanho do nosso Universo visível (amarelo), juntamente com a quantidade que podemos alcançar (magenta) se partíssemos, hoje, numa viagem à velocidade da luz. O limite do Universo visível é de 46,1 bilhões de anos-luz, pois esse é o limite de quão longe um objeto que emite luz que chegaria até nós hoje estaria depois de se expandir para longe de nós por 13,8 bilhões de anos. Qualquer coisa que ocorra, agora mesmo, dentro de um raio de 18 bilhões de anos-luz de nós, eventualmente nos alcançará e nos afetará; qualquer coisa além desse ponto não.

Isso é algo com que realmente temos que nos preocupar?

Pode ser. Existem condições de consistência que devem ser obedecidas pelas leis da física, e existem parâmetros que precisamos medir para saber se vivemos em um:

• Universo estável, cujo vácuo quântico nunca decairá,
• um Universo instável, cujo vácuo quântico deve decair imediatamente,
• ou um Universo meta-estável, onde estamos precisamente em um desses “falsos mínimos” que um dia podem decair para o verdadeiro mínimo.

No contexto da teoria quântica de campos, isso significa que, se tomarmos as propriedades do Modelo Padrão, incluindo o conteúdo de partículas do Universo, as interações que existem entre as partículas e as relações que governam as regras abrangentes, podemos medir a parâmetros das partículas dentro dele (como as massas restantes das partículas) e determinar em que tipo de Universo vivemos.

No momento, os dois parâmetros mais importantes na realização de tal cálculo são a massa do quark top e o bóson de Higgs. O melhor valor que temos para o a massa superior é 171,77±0,38 GeV , e o melhor valor que temos para o A massa de Higgs é 125,38±0,14 GeV . Isso aparece extremamente próximo da borda metaestável/estável, onde o ponto azul e os três círculos azuis abaixo representam desvios de 1-sigma, 2-sigma e 3-sigma do valor médio.

Com base nas massas do quark top e do bóson de Higgs, poderíamos viver em uma região onde o vácuo quântico é estável (vácuo verdadeiro), metaestável (vácuo falso) ou instável (onde não pode permanecer de forma estável). As evidências sugeriram, mas não provaram, que ocupamos um falso vácuo no momento em que esta figura foi publicada: em 2018. Desde então, a partir de 2022, os valores da massa de topo e da massa de Higgs mudaram os contornos de melhor ajuste mais próximo da região de estabilidade.

Isso significa que o Universo está realmente em um estado metaestável, e o vácuo quântico pode realmente um dia decair onde estamos, terminando o Universo de uma maneira catastrófica que é muito diferente da morte lenta e gradual pelo calor que esperávamos?

Depende. Depende de qual lado da curva estamos, e isso depende se identificamos corretamente todas as leis subjacentes da física e os contribuintes para o vácuo quântico, se fizemos nossos cálculos corretamente assumindo que temos escrever as equações subjacentes corretamente, e se nossas medições para as massas das partículas constituintes do Universo são precisas e precisas. Se quisermos saber com certeza, sabemos pelo menos isso: precisamos de uma melhor determinação desses parâmetros mensuráveis, e isso significa criar mais quarks top e bósons de Higgs, medidos pelo menos com a melhor precisão que podemos reunir atualmente.

O Universo pode ser fundamentalmente instável, mas se for, nunca veremos essa bolha de destruição causada pelo decaimento do vácuo vindo em nossa direção. Nenhum sinal portador de informação pode viajar mais rápido que a luz, e isso significa que, se o vácuo decair, nosso primeiro aviso de sua chegada coincidirá com nossa morte instantânea. No entanto, se o nosso Universo é realmente fundamentalmente instável, eu gostaria de saber. Você iria?

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