Quando ficou claro, há 20 anos, que a expansão do universo estava se acelerando, os cientistas apresentaram uma explicação completa, simples e testável. Mas à medida que mais e mais dados experimentais e observacionais chegavam, o motivo da energia escura - presumivelmente o motivo dessa aceleração - permanecia indefinido. Embora seja tecnicamente equivalente a uma "constante cosmológica" (ou energia inerente ao próprio espaço), não há como inferir seu valor. Mas se nos lembrarmos que colocar certas formas de matéria no espaço vazio muda as forças que agem sobre essa matéria, talvez a energia escura surja de acordo com um princípio muito simples: porque em nosso Universo existe matéria como tal.
Mapa de aglomeração de galáxias em nosso Universo. A presença dessas estruturas pode explicar a presença e o poder da energia escura em sua totalidade.
A maioria das forças e fenômenos têm origens que são fáceis de descobrir. Dois objetos massivos experimentam a força da gravidade devido ao fato de que o espaço-tempo é deformado devido à presença de matéria e energia. O universo se expandiu porque tem sua própria história de mudanças na densidade de energia no universo e as condições iniciais para expansão. E todas as partículas do Universo interagem de uma certa maneira devido às regras bem conhecidas da teoria quântica de campos e da troca de bósons vetoriais. Das menores partículas subatômicas às maiores escalas, as mesmas forças operam para impulsionar bósons e galáxias.
A forte interação que ocorre devido à presença de "mudança de cor" e a troca de glúons mantém os núcleos dos átomos juntos
Mesmo os fenômenos mais misteriosos em sua essência contêm explicações que são bem compreendidas. Não sabemos por que há mais matéria do que antimatéria no Universo, mas sabemos que as condições de que precisamos para isso - violação do número bárion, violação C e CP - ocorrem. Não sabemos qual é a natureza da matéria escura, mas suas propriedades gerais, onde está localizada e como se agrupa, são todas bem compreendidas. Também não sabemos se os buracos negros preservam informações ou não, mas entendemos o estado final e inicial desses objetos, bem como eles nascem e o que acontece com seus horizontes de eventos ao longo do tempo.
Uma ilustração de um buraco negro e seu ambiente, um disco de acreção em aceleração e inflação. Os estados inicial e final dos buracos negros podem ser bem previstos, mesmo que a perda ou armazenamento de informações não seja
Mas há uma coisa que não entendemos absolutamente: energia escura. Claro, podemos medir a aceleração do universo e entender sua magnitude com precisão. Mas por que temos um universo com energia escura diferente de zero? Por que o espaço vazio, no qual não há nada - nenhuma matéria, nenhuma curvatura, nenhuma radiação, nada - tem energia positiva diferente de zero? E por que essa quantidade de energia, que era incompreensivelmente pequena e completamente invisível durante o primeiro bilhão de anos da história do Universo, começou a capturar o Universo apenas no momento em que a Terra apareceu nele?
Uma ilustração de um disco protoplanetário no qual planetas e planetesimais se formam, criando lacunas no disco. Quatro a cinco bilhões de anos atrás, quando nosso sistema solar estava se formando, a energia escura começou a capturar simultaneamente a expansão do universo e a densidade de energia
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Existem muitas coisas interessantes que podemos associar à energia escura e ao universo como um todo. Há muito espaço vazio que os campos quânticos permeiam. Não há regiões no Universo onde as forças gravitacionais, eletromagnéticas ou nucleares penetrem; eles estão em todo lugar. Se tentarmos calcular o chamado valor esperado do vácuo (condensado) de vários campos quânticos, encontraremos um número infinito de termos e só podemos escrevê-lo aproximadamente. Sempre trataremos de valores aproximados. E, pelo que sabemos, eles não estão equilibrados e o universo não está desacelerando - na verdade, está acelerando. De alguma forma, o próprio espaço tem um pouco de energia diferente de zero. E essa energia faz com que galáxias distantes no Universo se afastem de nós a uma velocidade cada vez maior,embora lentamente, mas constantemente.
A pergunta "por quê?" nunca cessa de atormentar os teóricos. Por que o universo está se expandindo cada vez mais rápido? Não podemos explicar a presença desta energia escura em nada. Talvez tenhamos pouca compreensão do próprio universo. Porém, há outra opção, que raramente é pensada: talvez essa propriedade do espaço vazio seja determinada pela presença de outras coisas - como a matéria - no Universo.
E há uma razão para acreditar que isso seja possível, o que é chamado de efeito Casimir. Nós o conhecemos bem.
Ilustração do efeito Casimir e como as forças fora das placas diferem das forças entre elas
Qual é a força eletromagnética do espaço vazio? Zero, é claro. Na ausência de cargas, correntes e matéria para interação, será zero, sem brincadeira. Mas se você colocar duas placas de metal a uma certa distância entre elas e perguntar novamente qual será a força eletromagnética, ela deixará de ser zero. Devido ao fato de que alguns modos de flutuações quânticas são proibidos devido aos limites da placa, não apenas prevemos, mas também medimos a força diferente de zero entre essas placas, surgindo literalmente do espaço vazio. E o que é mais interessante, todas as forças, incluindo forças gravitacionais, exibem o efeito Casimir.
Mapa de mais de um milhão de galáxias no Universo; há uma galáxia separada em cada ponto. Cores diferentes representam distâncias; vermelho - mais longe
O que acontece quando tentamos aplicar esse efeito a todo o universo e calcular o efeito? A resposta é simples: obtemos algo que corresponde de alguma forma à energia escura, apenas - novamente - de uma ordem diferente. E isso pode ser porque não sabemos totalmente quais são as condições de contorno do Universo ou como calcular corretamente o efeito quântico-gravitacional.
Mapear o universo pode ser a parte mais fácil. É improvável que esperemos por um avanço observado ou experimental que nos levará a uma compreensão da energia escura, a força mais elusiva do universo. Podemos precisar de um avanço teórico. E, possivelmente, estará associado a uma anomalia de traço, uma mudança na magnitude dinâmica ou mesmo a um traço de dimensões adicionais. Só recentemente descobrimos seu segredo mais difícil de explicar. Talvez a solução esteja na física que já conhecemos.
Ilya Khel
