Qual é a física do nada?
A galáxia mais solitária do Universo, que não tem outras galáxias em sua vizinhança por 100 milhões de anos-luz em qualquer direção. Ainda assim, esta não é uma verdadeira realização do espaço vazio. Crédito da imagem: ESA/Hubble & NASA e N. Gorin (STScI); Agradecimento: Judy Schmidt.
E podemos até concordar com a definição de “nada”?
Sozinho, muitas vezes caio no nada. Devo empurrar meu pé furtivamente para não cair da beira do mundo no nada. Eu tenho que bater minha cabeça contra alguma porta dura para me chamar de volta ao corpo. – Virgínia Woolf
Se você tirar tudo de uma parte do Universo, o que restará? Você assumiria que a resposta não é nada, mas talvez isso não esteja certo. Você pode tirar todas as partículas e antipartículas, todos os vários tipos de radiação, toda a curvatura do espaço e ondulações das ondas gravitacionais, e se encontrar em um espaço puramente vazio, onde não há nada para você interagir. No entanto, isso é realmente nada, ou ainda há algo lá?
Uma representação do espaço plano e vazio sem matéria, energia ou curvatura de qualquer tipo. Crédito da imagem: Amber Stuver, de seu blog, Living Ligo, em http://www.livingligo.org/ .
Uma maneira comum de olhar para esse estado é chamá-lo de vácuo quântico. É o estado de menor energia do espaço vazio e, no entanto, uma das coisas intrigantes que a física quântica nos ensina é que o energia de ponto zero , ou o estado fundamental do Universo, não é realmente um estado de zero energia. Pelo contrário, é um valor finito e positivo que é:
- medida observacionalmente - graças aos efeitos da energia escura - para ser aproximadamente a energia de massa de repouso equivalente de cerca de um próton por metro cúbico,
- e teoricamente calculado, com o melhor de nossas habilidades, cerca de 10¹²⁰ vezes maior que esse valor.
Não é exagero dizer que não entendemos muito bem a física do nada, nem temos uma boa explicação de por que essa energia do ponto zero não se dilui ou diminui (ou parece mudar) ao longo do tempo.
Uma imagem conceitual do satélite WFIRST da NASA, programado para ser lançado em 2024 e nos fornece nossas medições mais precisas de energia escura. Crédito da imagem: NASA/GSFC/Conceptual Image Lab.
Nas próximas décadas, observatórios espaciais, como o satélite Euclid da ESA e a próxima missão WFIRST da NASA, devem ser capazes de restringir a constância dessa energia de ponto zero no espaço e no tempo para mais de 1%. (As melhores restrições estão atualmente em ~8% agora). Ao medir como o Universo se expandiu ao longo de sua história a partir de muitos locais diferentes e de muitas distâncias diferentes de nós, devemos ser capazes de confirmar que a energia do ponto zero do Universo é a mesma em todos os lugares e em todos os momentos em um grau sem precedentes.
Visualização de um cálculo da teoria quântica de campos mostrando partículas virtuais no vácuo quântico. Crédito da imagem: Derek Leinweber.
Mas isso é realmente o mesmo que nada? E talvez mais importante, nossa percepção e concepção do nada é apenas uma ilusão, ou é a chave para entender alguns dos segredos mais importantes sobre o Universo?
https://iai.tv/video/everything-and-nothing
Isso foi o tema de uma discussão recente no Instituto de Arte e Ideias , cujos painéis representam a analogia europeia mais próxima da série de palestras TED proferidas nos Estados Unidos. Cada palestrante - os físicos Laura Mersini-Houghton e John Ellis, bem como o filósofo James Ladyman - dão sua opinião, acima. O problema é que, embora não é uma ilusão, não concordamos com o que queremos dizer sobre o nada. Você quer dizer:
- Essa energia do estado fundamental, que pode ter sido diferente (e muito maior) no passado? (Por exemplo, durante a inflação cósmica.)
- Um estado fora do espaço e do tempo, onde você tem o surgimento do espaço-tempo de um verdadeiro estado de nada? (Esse estado existe mesmo, ou sua existência seria significativa?)
- Você quer dizer o nada de nosso Universo, que pode ser diferente do que é o nada em outros bolsões do Multiverso?
- Ou você quer dizer o vácuo cósmico, com toda a sua energia virtual e que pode mudar dependendo do que está nele?
É estranho pensar que o que pensamos como nosso nada pode não ser o mesmo que nada em outro lugar, em outros momentos ou em outros locais.
O vácuo quântico – a energia do ponto zero do Universo – é determinado por onde a bola do Universo está nesta colina. Estava no topo durante a inflação, está no fundo (um pouco acima, mas não igual a zero) hoje, e pode haver outra transição para um estado mais baixo no futuro. Crédito da imagem: E. Siegel, de seu livro Além da Galáxia.
No entanto, é assim que pensamos que o Big Bang quente começou! Ao fazer a transição de uma energia de ponto zero superior para uma energia inferior, o Universo em expansão que estava cheio de uma grande quantidade de energia inerente ao próprio espaço transitou para um estado de energia inferior, e essa transição resultou na criação de toda a matéria, antimatéria e radiação presentes no Universo hoje. É até possível que tenhamos outra transição destinada a nós em algum momento no futuro, onde talvez outro Big Bang quente e mais frio nos espere.
O Big Bang produz matéria, antimatéria e radiação, com um pouco mais de matéria sendo criada em algum momento, levando ao nosso Universo hoje. Crédito da imagem: E. Siegel, de seu livro, Além da Galáxia.
E, no entanto, é filosoficamente insatisfatório. Esse nada físico parece muito com alguma coisa, não é? Quando queremos falar sobre nada, nossas concepções nos levam para fora do espaço e antes do Universo começar, mas isso faz sentido? Como você pode falar de fora quando não tem espaço? Como você pode falar antes de qualquer coisa se você não tem tempo?
E, no entanto, qualquer que seja o nada verdadeiramente, ele contém todo o Universo. (Filosoficamente, este é um princípio de longa data do budismo.)
Muitos físicos afirmam que não há como entender nada, fundamentalmente, até que não entendamos nada. E embora nossa compreensão seja parcial – ou seja, entendemos as leis fundamentais e básicas da natureza que governam o espaço-tempo vazio – não entendemos de onde surgem essas leis fundamentais e se elas mesmas são uma coisa.
O Modelo Padrão da física de partículas elementares, que representa 3/4 das leis fundamentais do nosso Universo. Crédito da imagem: Projeto de Educação Física Contemporânea / DOE / NSF / LBNL.
Assim, podemos dizer que nosso Universo veio, de fato, do nada, e seu eventual estado final pode muito bem se transformar em nada depois de um período de tempo arbitrariamente longo. Mas isso é apenas se você aceitar nossa descrição de um nada físico como o verdadeiro nada. A definição do nada em si pode não ser independente de nossas definições de espaço, tempo e as regras do Universo; não é algo que qualquer um – físicos, filósofos ou outros – possa necessariamente concordar. Não há um teste físico que possamos realizar para dizer, já reduzimos isso a nada?
O quente Big Bang resultou do fim da inflação cosmológica. Mas isso ainda exigia a existência de espaço, tempo e uma grande energia de ponto zero. De onde veio tudo isso *isso*? Crédito da imagem: Bock et al. (2006, astro-ph/0604101); modificações por E. Siegel.
Algumas coisas são certas: nem sempre existimos; nem sempre existiremos; nós existimos agora. O que quer que o nada realmente seja, todos nós somos algo agora mesmo. E o que quer que exista agora, ele fez, em algum nível, venha do nada, não importa como você defina nada. E da melhor forma que entendermos o Universo, ele retornará a um estado que se aproxima de um nada infinito e físico também. Mas quanto ao que realmente é a natureza do nada supremo? Esse ainda é, talvez, o segredo que todos nós estamos fundamentalmente procurando.
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