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

O universo tem várias propriedades bizarras que são difíceis de entender com a experiência cotidiana. Por exemplo, a matéria que conhecemos, composta de partículas elementares e compostas que constituem moléculas e materiais, parece representar apenas uma pequena porção da energia do universo. A maior contribuição, cerca de dois terços, vem de “energia escura“ – uma forma hipotética de energia, o pano de fundo para o qual os físicos ainda estão intrigados. Além disso, o universo não está apenas se expandindo de forma constante, mas também cada vez mais rápido.

Ambas as propriedades parecem estar conectadas, porque energia escura também é visto como um impulsionador da expansão acelerada. Além disso, poderia reunir duas poderosas escolas de física: a teoria quântica de campos e a teoria geral da relatividade desenvolvida por Albert Einstein. Mas há um problema: cálculos e observações estão longe de ser consistentes. Agora, em artigo publicado pela revista, dois pesquisadores de Luxemburgo revelaram uma nova forma de solucionar esse mistério de 100 anos. Cartas de Verificação Física.

O rastro de partículas virtuais no vácuo

“O vácuo tem energia. Este é um resultado fundamental da teoria quântica de campos”, explica o Prof. Alexandre Tkatchenko, professor de Física Teórica do Departamento de Física e Ciência dos Materiais. Universidade do Luxemburgo. Essa teoria foi desenvolvida para reunir a mecânica quântica e a relatividade especial, mas a teoria quântica de campos parece ser incompatível com a relatividade geral. Sua característica essencial: em contraste com a mecânica quântica, a teoria considera não apenas partículas, mas também campos livres de matéria como objetos quânticos.

“Nesse contexto, muitos pesquisadores consideram a energia escura uma expressão do que é conhecido como energia do vácuo”, diz Tkatchenko: uma quantidade física que, em uma imagem vívida, é causada por uma constante formação e interação de pares de partículas e suas antipartículas – como elétrons e pósitrons – no que é realmente o espaço vazio.

Os físicos falam desse ir e vir de partículas virtuais e seus campos quânticos como vácuo ou flutuações do ponto zero. À medida que os pares de partículas desaparecem rapidamente no nada, sua existência deixa para trás uma certa energia.

“Essa energia do vácuo também tem um significado na teoria geral da relatividade”, observa o cientista luxemburguês: “Ela se manifesta na constante cosmológica que Einstein inclui em suas equações por razões físicas”.

Uma incompatibilidade colossal

Ao contrário da energia do vácuo, que só pode ser derivada das fórmulas da teoria quântica de campos, a constante cosmológica pode ser determinada diretamente de experimentos astrofísicos. Medições com o Telescópio Espacial Hubble e a missão espacial Planck forneceram valores próximos e confiáveis ​​para a grandeza física fundamental. Cálculos de energia escura baseados na teoria quântica de campos, por outro lado, fornecem resultados que correspondem a um valor de até 10 para a constante cosmológica.¹²⁰ vezes maior – uma discrepância colossal, embora na visão de mundo atual dos físicos ambos os valores devam ser os mesmos. A discrepância encontrada é conhecida como o “enigma da constante cosmológica”.

“Esta é, sem dúvida, uma das maiores inconsistências da ciência moderna”, diz Alexandre Tkatchenko.

Forma não convencional de interpretação

Juntamente com seu colega pesquisador de Luxemburgo, Dr. Dmitry Fedorov, ele agora deu um passo decisivo para resolver esse mistério que não foi resolvido por décadas. Num trabalho teórico, cujos resultados publicou recentemente na Cartas de Verificação Físicaos dois pesquisadores luxemburgueses propõem uma nova interpretação da energia escura. Ela assume que as flutuações do ponto zero levam a uma polarizabilidade do vácuo que pode ser medida e calculada.

“Para pares de partículas virtuais com cargas elétricas opostas, surge de forças eletrodinâmicas que essas partículas exercem umas sobre as outras durante sua existência extremamente curta”, explica Tkatchenko. Os físicos falam de uma auto-interação no vácuo. “Isso leva a uma densidade de energia que pode ser determinada com a ajuda de um novo modelo”, diz o cientista luxemburguês.

Juntamente com seu colega de pesquisa Fedorov, eles desenvolveram o modelo básico para átomos há alguns anos e o apresentaram pela primeira vez em 2018. O modelo originalmente serviu para descrever as propriedades atômicas, em particular a relação entre a polarizabilidade dos átomos e as propriedades de equilíbrio de certas moléculas e sólidos ligados não covalentemente. Como as propriedades geométricas são fáceis de medir experimentalmente, a polarizabilidade também pode ser determinada usando sua fórmula.

“Transferimos esse procedimento para processos no vácuo”, explica Fedorov. Para isso, os dois pesquisadores examinaram o comportamento dos campos quânticos, em particular o “ir e vir” de elétrons e pósitrons. As flutuações nesses campos também podem ser caracterizadas por uma geometria de equilíbrio já conhecida por experimentos. “Incorporámo-lo nas fórmulas do nosso modelo e, finalmente, obtivemos a força da polarização intrínseca do vácuo,” relata Fedorov.

A última etapa foi então o cálculo mecânico quântico da densidade de energia da auto-interação entre flutuações de elétrons e pósitrons. O resultado obtido concorda bem com os valores medidos para a constante cosmológica. Isso significa: “A energia escura pode ser rastreada até a densidade de energia da auto-interação dos campos quânticos”, enfatiza Alexandre Tkatchenko.

Valores consistentes e previsões verificáveis

“Nosso trabalho oferece, portanto, uma abordagem elegante e não convencional para resolver o enigma da constante cosmológica”, resume o físico. “Ele também fornece uma previsão testável: ou seja, que campos quânticos, como os de elétrons e pósitrons, de fato possuem uma polarização intrínseca pequena, mas onipresente”.

Essa descoberta aponta o caminho para experimentos futuros que também demonstrem essa polarização em laboratório, dizem os dois pesquisadores luxemburgueses. “Nosso objetivo é derivar a constante cosmológica de uma abordagem teórica quântica rigorosa”, enfatiza Dmitry Fedorov. “E nosso trabalho contém uma receita de como fazer isso.”

Ele vê os novos resultados obtidos em conjunto com Alexandre Tkatchenko como um primeiro passo para um melhor entendimento da energia escura – e sua ligação com a constante cosmológica de Albert Einstein.

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

Referência: “Casimir Self-Interaction Energy Density of Quantum Electrodynamic Fields” de Alexandre Tkatchenko e Dmitry V. Fedorov, 24 de janeiro de 2023, Cartas de Verificação Física.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.041601