Físicos descobrem uma nova maneira de resolver o estranho mistério da energia escura

O que está por trás da energia escura – e o que a liga à constante cosmológica introduzida por Albert Einstein? Dois físicos da Universidade de Luxemburgo apontam uma maneira de responder a essas questões em aberto na física.

O universo tem várias propriedades estranhas que são difíceis de entender por meio da experiência cotidiana. Por exemplo, a matéria que conhecemos, composta de partículas elementares e compostas de moléculas e matéria, aparentemente constitui apenas uma pequena parte da energia do universo. A maior contribuição, cerca de dois terços, vem deenergia escura– uma forma hipotética de energia cujo pano de fundo os físicos ainda estão perplexos.Além disso, o universo não está apenas em constante expansão, mas também está fazendo isso em um ritmo cada vez mais rápido.

Parece que ambas as propriedades estão relacionadas, porque energia escura Também é considerado um impulsionador da expansão acelerada. Além disso, pode unir duas poderosas escolas de pensamento da física: a teoria quântica de campos e a teoria geral da relatividade desenvolvida por Albert Einstein. Mas há um problema: as contas e notas estão longe de ser idênticas. Dois pesquisadores de Luxemburgo mostram uma nova maneira de resolver esse mistério de 100 anos em um trabalho de pesquisa publicado pela revista Cartas de revisão física.

O efeito de partículas virtuais no vácuo

“O vácuo tem energia. Este é um resultado fundamental da teoria quântica de campos”, explica o professor Alexander Tkachenko, professor de física teórica no Departamento de Física e Ciências dos Materiais da Universidade do Luxemburgo. Esta teoria foi desenvolvida para combinar a mecânica quântica e a relatividade especial, mas a teoria quântica de campos parece ser incompatível com a relatividade geral. Sua principal vantagem: ao contrário da mecânica quântica, a teoria considera não apenas partículas, mas também esferas desprovidas de matéria como objetos quânticos.

“Neste quadro, muitos pesquisadores consideram a energia escura uma expressão do que se chama de energia do vácuo”, diz Tkatchenko, grandeza física que resulta, na forma viva, do aparecimento e interação contínua de pares de partículas e suas antipartículas — como como elétrons e pósitrons – no que é na realidade o espaço vazio.

A radiação cósmica de fundo de Planck. Crédito: ESA e Planck Collaboration

Os físicos falam das idas e vindas de partículas virtuais e seus campos quânticos como flutuações no vácuo, ou ponto zero. À medida que pares de partículas desaparecem rapidamente no nada, sua presença deixa para trás uma certa quantidade de energia.

O cientista luxemburguês observa que “essa energia do vácuo também tem um significado na relatividade geral”: “Ela se manifesta na constante cosmológica que Einstein incluiu em suas equações por razões físicas”.

Grande incompatibilidade

Ao contrário da energia do vácuo, que só pode ser deduzida das equações da teoria quântica de campos, a constante cosmológica pode ser determinada diretamente por experimentos astrofísicos. Medições com o Telescópio Espacial Hubble e a missão espacial Planck produziram valores próximos e confiáveis ​​para a grandeza física fundamental. Por outro lado, cálculos de energia escura baseados na teoria quântica de campos levam a resultados consistentes com o valor da constante cosmológica sendo 10¹²⁰ vezes maior – uma discrepância colossal, embora de acordo com a visão predominante dos físicos hoje, ambos os valores devam ser iguais. A contradição que existe é conhecida como o “enigma da constante cosmológica”.

“É sem dúvida uma das maiores contradições da ciência moderna”, diz Alexander Tkachenko.

Forma não convencional de interpretação

Juntamente com o colega pesquisador luxemburguês Dr. Dmitry Fedorov, ele trouxe agora a solução para este mistério, que esteve em aberto por décadas, um importante passo mais perto. Em um trabalho teórico, eles publicaram recentemente seus resultados em Cartas de revisão físicaOs dois pesquisadores em Luxemburgo propuseram uma nova explicação para a energia escura. Supõe-se que as flutuações do ponto zero resultem na polarização do vácuo, que pode ser medida e calculada.

“Em pares de partículas virtuais de carga elétrica oposta, elas surgem das forças eletrodinâmicas que essas partículas exercem uma sobre a outra durante seu curtíssimo tempo de existência”, explica Tkachenko. Os físicos se referem a isso como um vácuo de auto-interação. “Isso leva a uma densidade de energia que pode ser determinada com a ajuda de um novo modelo”, diz o cientista Luxembourg.

Juntamente com o colega de pesquisa Fedorov, eles desenvolveram o modelo fundamental dos átomos há alguns anos e o apresentaram pela primeira vez em 2018. O modelo foi originalmente usado para descrever propriedades atômicas, em particular a relação entre as polarizações dos átomos e as propriedades de equilíbrio de algumas moléculas e sólidos não ligados covalentemente. Como é muito fácil medir propriedades geométricas experimentalmente, a polarização também pode ser determinada por sua fórmula.

“Transferimos esse procedimento para operações no vácuo”, explica Fedorov. Para isso, os dois pesquisadores analisaram o comportamento dos domínios quânticos, em particular a representação do “ir e vir” de elétrons e pósitrons. As flutuações desses campos também podem ser caracterizadas por uma geometria de equilíbrio já conhecida por experimentos. “Inserimo-lo nas fórmulas do nosso modelo e, desta forma, finalmente obtivemos a força de polarização do vazio interior”, diz Fedorov.

O passo final então foi calcular mecanicamente a densidade de energia da auto-interação entre flutuações de elétrons e pósitrons. O resultado obtido desta forma está de acordo com os valores medidos da constante cosmológica. Isso significa: “A energia escura pode ser rastreada até a densidade de energia da auto-interação dos campos quânticos”, afirma Alexander Tkachenko.

Valores consistentes e expectativas verificáveis

“Nosso trabalho oferece, portanto, uma abordagem elegante e não convencional para resolver o mistério da constante cosmológica”, conclui o físico. “Além disso, fornece uma previsão verificável: a saber, que campos quânticos, como os de elétrons e pósitrons, de fato possuem uma polarização intrínseca pequena, mas sempre presente”.

Essa descoberta aponta o caminho para experimentos futuros para detectar essa polarização também em laboratório, dizem os dois pesquisadores de Luxemburgo. “Nosso objetivo é derivar a constante cosmológica de uma abordagem rigorosa da teoria quântica”, afirma Dmitry Fedorov. “E nosso trabalho inclui uma receita de como realizar isso.”

Ele vê os novos resultados obtidos com Alexander Tkachenko como o primeiro passo para uma melhor compreensão da energia escura – e sua relação com a constante cosmológica de Albert Einstein.

Finalmente, Tkatchenko está convencido: “Em última análise, isso também pode lançar luz sobre a forma como a teoria quântica de campos e a teoria da relatividade geral se entrelaçam como duas maneiras de olhar para o universo e seus componentes.”

Referência: “Densidade de energia de auto-interação de Casimir em campos eletrodinâmicos quânticos” por Alexander Tkachenko e Dmitry V. Fedorov, 24 de janeiro de 2023 Disponível aqui. Cartas de revisão física.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.041601