Há um problema fundamental na física.
Um número único, chamado constante cosmológica, une o mundo microscópico da mecânica quântica e o mundo macroscópico da teoria da relatividade geral de Einstein. Mas nenhuma teoria pode concordar com seu valor.
De fato, existe uma discrepância tão grande entre o valor observado dessa constante e o que a teoria prevê que seja amplamente considerada a pior previsão da história da física. Resolver a discrepância pode ser o objetivo mais importante da física teórica neste século.
Lucas Lombriser, professor assistente de física teórica da Universidade de Genebra, na Suíça, introduziu uma nova maneira de avaliar as equações de gravidade de Albert Einstein para encontrar um valor para a constante cosmológica que se aproxima do valor observado. Ele publicou seu método on-line na edição de 10 de outubro da revista Physics Letters B.
Como o maior erro de Einstein se tornou energia escura
A história da constante cosmológica começou mais de um século atrás, quando Einstein apresentou um conjunto de equações, agora conhecidas como equações do campo de Einstein, que se tornaram o quadro de sua teoria da relatividade geral. As equações explicam como a matéria e a energia distorcem o tecido do espaço e do tempo para criar a força da gravidade. Na época, Einstein e astrônomos concordaram que o universo era fixo em tamanho e que o espaço geral entre galáxias não mudou. No entanto, quando Einstein aplicou a relatividade geral ao universo como um todo, sua teoria previu um universo instável que iria expandir ou contrair. Para forçar o universo a ser estático, Einstein aderiu à constante cosmológica.
Quase uma década depois, outro físico, Edwin Hubble, descobriu que nosso universo não é estático, mas em expansão. A luz das galáxias distantes mostrava que todos estavam se afastando. Essa revelação convenceu Einstein a abandonar a constante cosmológica de suas equações de campo, pois não era mais necessário explicar um universo em expansão. O conhecimento da física diz que Einstein mais tarde confessou que sua introdução da constante cosmológica foi talvez o seu maior erro.
Em 1998, observações de supernovas distantes mostraram que o universo não estava apenas se expandindo, mas a expansão estava acelerando. As galáxias estavam se acelerando, como se alguma força desconhecida estivesse superando a gravidade e afastando essas galáxias. Os físicos chamaram esse fenômeno enigmático de energia escura, pois sua verdadeira natureza permanece um mistério.
Em uma reviravolta de ironia, os físicos mais uma vez reintroduziram a constante cosmológica nas equações de campo de Einstein para explicar a energia escura. No atual modelo padrão de cosmologia, conhecido como ΛCDM (Lambda CDM), a constante cosmológica é intercambiável com energia escura. Os astrônomos estimaram seu valor com base em observações de supernovas distantes e flutuações no fundo cósmico de microondas. Embora o valor seja absurdamente pequeno (da ordem de 10 ^ -52 por metro quadrado), na escala do universo, é significativo o suficiente para explicar a expansão acelerada do espaço.
"Atualmente, a constante cosmológica constitui cerca de 70% do conteúdo de energia em nosso universo, que é o que podemos deduzir da expansão acelerada observada em que nosso universo está passando atualmente. No entanto, essa constante não é compreendida", disse Lombriser. "As tentativas de explicar fracassaram e parece haver algo fundamental que estamos perdendo na maneira como entendemos o cosmos. Desvendar esse quebra-cabeça é uma das principais áreas de pesquisa da física moderna. É geralmente previsto que resolver o problema pode levar nos a uma compreensão mais fundamental da física ".
A pior previsão teórica da história da física
Pensa-se que a constante cosmológica represente o que os físicos chamam de "energia de vácuo". A teoria dos campos quânticos afirma que, mesmo em um vácuo completamente vazio do espaço, partículas virtuais entram e saem da existência e criam energia - uma idéia aparentemente absurda, mas que foi observada experimentalmente. O problema surge quando os físicos tentam calcular sua contribuição para a constante cosmológica. O resultado deles difere das observações por um fator impressionante de 10 ^ 121 (são 10 seguidos por 120 zeros), a maior discrepância entre teoria e experimento em toda a física.
Essa disparidade levou alguns físicos a duvidar das equações originais de gravidade de Einstein; alguns até sugeriram modelos alternativos de gravidade. No entanto, mais evidências de ondas gravitacionais pelo Observatório de Ondas Gravitacionais com Interferômetro a Laser (LIGO) apenas fortaleceram a relatividade geral e descartaram muitas dessas teorias alternativas. É por isso que, em vez de repensar a gravidade, Lombriser adotou uma abordagem diferente para resolver esse quebra-cabeça cósmico.
"O mecanismo que proponho não modifica as equações de campo de Einstein", afirmou Lombriser. Em vez disso, "adiciona uma equação adicional sobre as equações de campo de Einstein".
A constante gravitacional, usada pela primeira vez nas leis da gravidade de Isaac Newton e agora uma parte essencial das equações de campo de Einstein, descreve a magnitude da força gravitacional entre os objetos. É considerada uma das constantes fundamentais da física, eternamente inalterada desde o início do universo. Lombriser assumiu dramaticamente que essa constante pode mudar.
Na modificação da relatividade geral de Lombriser, a constante gravitacional permanece a mesma em nosso universo observável, mas pode variar além dela. Ele sugere um cenário multiverso em que pode haver manchas do universo invisíveis para nós que tenham valores diferentes para as constantes fundamentais.
Essa variação da gravidade deu a Lombriser uma equação adicional que relaciona a constante cosmológica à soma média da matéria no espaço-tempo. Depois de explicar a massa estimada de todas as galáxias, estrelas e matéria escura do universo, ele poderia resolver essa nova equação para obter um novo valor para a constante cosmológica - uma que concorda intimamente com as observações.
Usando um novo parâmetro, ΩΛ (ômega lambda), que expressa a fração do universo feito de matéria escura, ele descobriu que o universo é composto por cerca de 74% de energia escura. Esse número corresponde ao valor estimado de 68,5% das observações - uma tremenda melhoria em relação à enorme disparidade encontrada pela teoria quântica de campos.
Embora a estrutura de Lombriser possa resolver o problema cosmológico constante, atualmente não há como testá-lo. Mas, no futuro, se experimentos de outras teorias validarem suas equações, isso poderá significar um grande salto em nossa compreensão da energia escura e fornecer uma ferramenta para resolver outros mistérios cósmicos.
