Desde o final da década de 1920, os astrônomos estão cientes do fato de que o Universo está em um estado de expansão. Inicialmente prevista pela Teoria da Relatividade Geral de Einstein, essa percepção passou a informar o modelo cosmológico mais amplamente aceito - a Teoria do Big Bang. No entanto, as coisas ficaram um pouco confusas durante os anos 90, quando observações aprimoradas mostraram que a taxa de expansão do Universo está se acelerando há bilhões de anos.
Isso levou à teoria da energia escura, uma força invisível misteriosa que está impulsionando a expansão do cosmos. Muito parecido com a matéria escura, que explicava a “massa perdida”, tornou-se necessário encontrar essa energia ilusória, ou pelo menos fornecer uma estrutura teórica coerente para ela. Um novo estudo da Universidade da Colúmbia Britânica (UBC) procura fazer exatamente isso, postulando que o Universo está se expandindo devido a flutuações no espaço e no tempo.
O estudo - que foi publicado recentemente na revista Revisão Física D - foi liderado por Qingdi Wang, um estudante de doutorado do Departamento de Física e Astronomia da UBC. Sob a supervisão do professor William Unruh da UBC (o homem que propôs o Efeito Unruh) e com a assistência de Zhen Zhu (outro aluno de doutorado da UBC), eles fornecem uma nova visão da energia escura.
A equipe começou abordando as inconsistências decorrentes das duas principais teorias que juntas explicam todos os fenômenos naturais do Universo. Essas teorias não são outra senão a Relatividade Geral e a mecânica quântica, que explicam efetivamente como o Universo se comporta na maior das escalas (ou seja, estrelas, galáxias, aglomerados) e na menor (partículas subatômicas).
Infelizmente, essas duas teorias não são consistentes quando se trata de um pequeno assunto conhecido como gravidade, que os cientistas ainda não conseguem explicar em termos de mecânica quântica. A existência de energia escura e a expansão do universo são outro ponto de desacordo. Para iniciantes, as teorias dos candidatos, como a energia a vácuo - que é uma das explicações mais populares para a energia escura - apresentam sérias incongruências.
De acordo com a mecânica quântica, a energia a vácuo teria uma densidade de energia incrivelmente grande. Mas se isso for verdade, a Relatividade Geral prevê que essa energia teria um efeito gravitacional incrivelmente forte, que seria poderoso o suficiente para causar uma explosão de tamanho no Universo. Unruh compartilhou com a Space Magazine por e-mail:
“O problema é que qualquer cálculo ingênuo da energia do vácuo fornece valores enormes. Se alguém assumir que existe algum tipo de corte, não será possível obter densidades de energia muito maiores que a densidade de energia de Planck (ou cerca de 1095 Joules / metro³), então descobrimos que obtemos uma constante de Hubble - a escala de tempo em que o Universo quase dobra de tamanho - da ordem de 10-44 seg. Portanto, a abordagem usual é dizer que, de alguma forma, algo reduz isso para que se obtenha a taxa de expansão real de cerca de 10 bilhões de anos. Mas isso 'de alguma forma' é bastante misterioso e ninguém criou um mecanismo até meio convincente. ”
Enquanto outros cientistas tentaram modificar as teorias da relatividade geral e a mecânica quântica para resolver essas inconsistências, Wang e seus colegas buscaram uma abordagem diferente. Como Wang explicou à Space Magazine por e-mail:
“Estudos anteriores estão tentando modificar a mecânica quântica de alguma forma para reduzir a energia do vácuo ou tentando modificar a Relatividade Geral de alguma forma para tornar a gravidade entorpecida para a energia do vácuo. No entanto, a mecânica quântica e a relatividade geral são as duas teorias de maior sucesso que explicam como o nosso universo funciona ... Em vez de tentar modificar a mecânica quântica ou a relatividade geral, acreditamos que devemos primeiro entendê-las melhor. Levamos a sério a grande densidade de energia de vácuo prevista pela mecânica quântica e apenas permitimos que eles gravitem de acordo com a General Relativity sem modificar nenhuma delas. ”
Para o estudo, Wang e seus colegas realizaram novos conjuntos de cálculos sobre energia de vácuo que levaram em consideração a alta densidade de energia prevista. Eles então consideraram a possibilidade de que, na menor das escalas - bilhões de vezes menor que os elétrons -, o tecido do espaço-tempo esteja sujeito a flutuações violentas, oscilando em todos os pontos entre expansão e contração.
À medida que oscila, o resultado dessas oscilações é um efeito líquido em que o Universo se expande lentamente, mas a uma taxa acelerada. Depois de realizar seus cálculos, eles notaram que tal explicação era consistente com a existência de densidade quântica de energia a vácuo e com a Relatividade Geral. Além disso, também é consistente com o que os cientistas observam em nosso universo há quase um século. Como Unruh descreveu:
“Nossos cálculos mostraram que é possível considerar consistentemente [que] o Universo nas escalas mínimas está realmente se expandindo e contraindo a um ritmo absurdamente rápido; mas que em larga escala, devido à média dessas pequenas escalas, a física não notaria essa 'espuma quântica'. Tem um pequeno efeito residual ao fornecer uma constante cosmológica eficaz (efeito do tipo energia escura). De certa forma, é como ondas no oceano que viajam como se o oceano estivesse perfeitamente liso, mas realmente sabemos que existe essa dança incrível dos átomos que compõem a água, e as ondas medem sobre essas flutuações e agem como se superfície era lisa. "
Em contraste com as teorias conflitantes de um universo em que as várias forças que o governam não podem ser resolvidas e devem se anular, Wang e seus colegas apresentam uma imagem em que o universo está constantemente em movimento. Nesse cenário, os efeitos da energia de vácuo são realmente autocanceláveis e também dão origem à expansão e aceleração que temos observado durante todo esse tempo.
Embora possa ser muito cedo para dizer, essa imagem de um universo altamente dinâmico (mesmo em escalas mínimas) pode revolucionar nossa compreensão do espaço-tempo. No mínimo, essas descobertas teóricas certamente estimularão o debate na comunidade científica, bem como experimentos projetados para oferecer evidências diretas. E essa, como sabemos, é a única maneira de avançar nossa compreensão dessa coisa conhecida como Universo.
