O “Despertar (superquântico) do Vácuo”

“É impossível imaginar o nada absoluto – sempre existiu, e existirá algo. Provavelmente, porque a ausência da existência, de fato é uma mera impossibilidade” (Ronaldo Mourão)

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Físicos da USP e da Unesp sugerem que a ‘energia do vazio’ pode destruir as estrelas mais densas do Universo. (Agência FAPESP)

Seria a energia…presente no ‘vácuo‘…capaz de controlar o destino das estrelas…ou mesmo de todo o universo?…Uma nova linha de pesquisa conduzida por físicos brasileiros… mostra que, talvez isso seja possível.

Os físicos perceberam em sua teoria um efeito capaz de…como definiu George Matsasdo Instituto de Física Teórica (IFT) da Unesp/SP, transformar a “energia do espaço vazio” numa reação cataclísmica de um fenômeno batizado por eles como… — “o despertar do vácuo”.

A descoberta foi feita por Daniel Vanzella, do Instituto de Física de São Carlos, da USP, e seu aluno William Corrêa de Lima, sendo publicada em abril na ‘Physical Review Letters’. Lá eles esboçaram situações em que o “despertar” poderia ocorrer… – Junto com a dupla, Matsas então assinou outro artigo…na edição de 8 de outubro da mesma revista, no qual exploraram uma dessas situações em detalhe. Os cientistas mostraram como a gravidade de uma “estrela de neutrons” em formação…pode dar ao ‘vácuo o poder de destruir a si mesma; para isso a energia do vácuo ao redor de uma estrela de neutrons deve superar a energia da massa da estrela.

Com base no que se conhece hoje do assunto, não há nenhum princípio geral que impeça esse efeito gerador de catástrofes estelares de ocorrer…Mas, somente outras observações poderão verificar se esse fenômeno ocorre na prática.

Fundo quântico fantasmagórico                                                                                 Embora o vazio espacial esteja cheio de ‘campos quânticos‘, o efeito destes é, geralmente muito sutil. Entretanto, sob determinadas condições, como durante     a formação de “pulsares”, ou ‘estrela de neutrons’, esses campos podem crescer,   a ponto de, inclusive, superar a energia correspondente à massa da estrela.

Uma exploração mais profunda de como este “despertar do vácuo” produz efeitos, poderá, inclusive, mudar o ‘entendimento atual’ de alguns eventos astrofísicos.

O ‘espaço vazio’ é preenchido com uma espécie de ‘fundo quântico fantasmagórico, formado por ondas de todas frequências possíveis…Nisto se incluem, não apenas as   ondas do eletromagnetismo, e outras forças… — mas também “ondas de partículas”,   como elétrons. A quantidade de energia nestas ondas é pequena… mas nunca ‘zero’.

Teoria quântica de campos em espaçotempo curvos

Como não existe uma teoria quântica completa da gravidade… Vanzella e William Lima usaram uma abordagem já bem conhecida, denominada ‘teoria quântica de campos em espaçotempo curvos’ (QFTCS)…Esta técnica utiliza a “mecânica quântica padrão” para descrever todos os campos – exceto a gravidade…para, em seguida…incluir seus efeitos.

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De acordo com a ‘relatividade geral’, a força gravitacional surge quando o espaçotempo é distorcido (…curvado)  na presença de massa/energia. Assim, a “QFTCS” utiliza esse ‘espaçotempo’ relativista… – nos cálculos quânticos.

Os físicos brasileiros não analisaram todos os campos possíveis, apenas o tipo mais simples, chamado campo escalar. Este campo genérico – por exemplo, poderia ser uma versão do campo eletromagnético…ou, até mesmo – representar uma partícula ainda desconhecida.

Seguindo a prática padrão… – eles deixaram sem especificação um parâmetro-chave deste campo – o parâmetro de ‘acoplamento’, que quantifica a atração, ou repulsão do campo às regiões altamente curvadas do espaçotempo.

Energia do vácuo

Em um artigo, publicado em abril, na Physical Review Letters, Vanzella e William Lima analisaram a energia do vácuo para um espaçotempo que começa com uma distribuição uniforme de massa no passado distante (espaçotempo plano), para, em seguida, evoluir em concentrações fixas de massa (aglomerados)… – num futuro distante.

A ‘energia do vácuo‘ resultante depende da massa, do tamanho                                           dos aglomerados de matéria, e do parâmetro de acoplamento.

O resultado surpreendente foi que…em algumas combinações de valores; mesmo               depois que a distribuição da massa se estabiliza, a “energia do vácuo” continua a             crescer exponencialmente — ao longo do tempo…nas cercanias dos aglomerados.      Sendo que, eventualmente, a ‘densidade da energia do vácuo‘ nessas regiões ultrapassa a densidade de energia da matéria ordinária…de forma a que o vazio  começa a distorcer o ‘espaçotempo’ — ainda mais forte do que a matéria é capaz.

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Medir a densidade de estrelas de neutrons, como a PSR B1509-58 (ponto brilhante no centro, circundado pelos restos da supernova) ajudará na verificação da existência de ‘campos quânticos’ livres no universo.

Efeitos gravitacionais do vácuo

Para ver se esse efeito importa na prática, Lima e Vanzella juntaram-se ao grupo de Matsas, em outro artigo – analisando um novo modelo de ‘espaçotempo’ altamente curvado, emergindo da formação de uma “estrela de neutrons” ultradensa.

Para alguns valores razoáveis, de massa   e tamanho da estrela, é previsto que em milissegundos a energia do vácuo irá crescer … até ao nível do “parâmetro de acoplamento”… onde começa a indução de outros ‘efeitos gravitacionais’…ainda não calculados. Estando pois, até agora, indefinido, como a estrela seria afetada.

Se o avanço da pesquisa mostrar que tal estrela de neutrons fica instável…a existência delas, com tamanhos específicos, pode descartar, ou confirmar a existência dos campos do tipo modelado por eles… Isto é – a teoria poderia ser testada pela observação e medição das massas de estrelas de neutrons.

Vanzella, entretanto, adverte que, até agora, não foi analisado como a crescente energia do vácuo modifica a curvatura do espaçotempo… – nem quaisquer efeitos resultantes sobre a estrela de neutrons… como ainda explicou Leonard Parker, da Universidade de Wisconsin:

“Até este momento, não foi calculada a solução numérica das equações de Einstein com a reação retornando sobre o campo…por isso ninguém sabe ao certo aonde isso vai dar…É um convite aberto para mais investigação.”

O poder da Criação                                                                                                                   O vácuo é capaz de controlar o destino de estrelas, ou até mesmo do Universo inteiro? Físicos brasileiros descobrem um novo fenômeno que mostra como isso seria possível”.

A “comunidade dos físicos” começou a levar a sério a ideia de que o vácuo não é exatamente vazio… quando ficou clara a essência efêmera das partículas subatômicas… como elétrons e prótons…observadas em experimentos – nos quais viajam a velocidades próximas à da luz. No acelerador ‘LHC’, p. ex…experimentos são feitos com 2 feixes de prótons colidindo entre si… Após a colisão, os prótons desaparecem e, do ‘nada’, surgem novas partículas…descritas com um sucesso quantitativo espantoso, pela “Teoria Quântica de Campos” … (‘TQC‘).

As fórmulas matemáticas da TQC obedecem às 2 outras teorias … que revolucionaram a física no início do século 20. Uma delas é a “Relatividade Restrita”, que afirma que nada pode viajar mais rápido que a velocidade da luz… e, que a massa das partículas pode ser convertida em energia e vice-versa, pela famosa fórmula E = mc² .

A outra é a “Mecânica Quântica”… segundo a qual toda partícula tem propriedades de onda e vice-versa. Além do que… propriedades como posição e velocidade das ondas/partículas nunca têm um valor exato. (Princípio de Incerteza)

Na TQC, todas as partículas elementares e ondas surgem de entidades que permeiam o espaço, chamadas de “campos“…fundamentais na descrição da natureza… Assim, por exemplo, todos fótons (partículas da luz visível, e demais radiações eletromagnéticas)         são manifestações de um único campo que permeia tudo – o “campo eletromagnético”.

O que chamamos de fótons, ou ondas eletromagnéticas são “excitações” desse campo, localizadas numa certa região do espaço. – No restante…onde não há fótons, o campo está em seu estado de energia mínima, o chamado “estado de vácuo”. Porém, o valor do campo aí não é absolutamente zero. – Pelo ‘Princípio de Incerteza‘, não dá para garantir que esse valor seja o mesmo em todos os pontos…Embora em média seja nulo, o valor flutua ponto a ponto.

Flutuações de vácuo 

As flutuações do vácuo acontecem tão rápido…que são impossíveis de medir diretamente (observá-las violaria o princípio de incerteza). Mesmo assim, os físicos têm certeza de sua existência ao observarem a interação delas com matéria e radiação…Só desse modo é possível entender alguns fenômenos — tais como o “efeito Casimir”…onde 2 placas condutoras perfeitas não carregadas eletricamente…se atraem, uma a outra… – devido à ‘flutuações quânticas‘ no “campo eletromagnético” do vácuo entre as placas.

Em 1949, o físico Hendrik Casimir (1909-2000) teve a ideia de colocar 2 placas metálicas paralelas bem próximas entre si. Desprezando carga elétrica e atração gravitacional entre elas, pode-se esperar que as placas permaneçam imóveis uma de frente para outra… Mas, não é isso o que acontece… – a presença das placas metálicas perturba o vácuo do campo eletromagnético, provocando uma “diferença de flutuações” no espaço entre as placas…e fora delas… – O vácuo, por sua vez, reage a essa perturbação, pressionando as placas a se aproximarem, até grudarem uma na outra.

Na nanotecnologia esse efeito é detetado em engrenagens microscópicas de sistemas microeletromecânicos (‘MEMS’, na sigla em inglês) ao grudarem-se uma nas outras, emperrando seu mecanismo.

Na verdade o “efeito Casimir” é apenas uma variante de outro efeito muito mais presente no cotidiano – as chamadas “forças de Van der Waals” – um potencial de interação entre átomos neutros… produzido por ‘flutuações aleatórias’ nos campos de seus elétrons, e no vácuo do ‘campo eletromagnético’ – cujas força atrativa… abaixo de certo limite, tem sua componente repulsiva notadamente aumentada; a ponto de evitar um colapso molecular. 

De tão minúsculo, foi medido com precisão apenas no final dos anos 1990. Essa pequenez típica dos efeitos da energia do vácuo, fez com que ninguém suspeitasse que eles tivessem algum papel na evolução de um corpo celeste, assim como uma estrela, até que o efeito do despertar do vácuo foi descoberto… – Matsas, que coordena o Projeto “Física em Espaços-Tempos Curvos” lembra que esse efeito permaneceu desapercebido… – por quase 10 anos.

Teoria Quântica de Campos em Espaços-Tempos Curvos

Desde um pouco antes de Vanzella concluir seu doutorado, em 2001…ele lembra que havia “algo no ar”. Na época, Lima e Vanzella, junto com Jorge Castiñeiras e Luís Crispino, então doutorandos do IFT… trabalhavam no problema de como a força da gravidade estelar afeta os campos quânticos. – Ao contrário das outras ‘forças naturais‘…que podem ser descritas por campos quânticos, a gravidade é um caso à parte… A despeito de inúmeras tentativas promissoras em construção – uma teoria quântica completa da gravidade ainda não existe.

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A esnobe gravidade parece resistir a ser tratada pelos físicos… da mesma forma que outras interações… assim exigindo a ‘produção‘ de uma teoria própria… – E, justamente isso … é o que foi proposto por Albert Einstein com sua “Relatividade Geral” … em 1916… – Por ela, qualquer forma de energia (matéria ou radiação) cria uma ‘deformação’ na geometria do espaço ao redor…. — Os corpos em torno dessa deformação…a sentem como uma… – “força da gravidade”.

A equação de Einstein diz como a energia deforma o espaço, e como a curvatura do espaço afeta o fluxo da energia. Matsas e seus colegas usaram a mista Teoria Quântica de Campos em Espaços Curvos (TQCEC)… – Também conhecida como “gravitação semiclássica”… ela combina a melhor formulação para as partículas elementares (‘TQC‘) com a melhor para a gravidade (Relatividade Geral), da maneira mais austera possível, sem assumir nada além.

A TQCEC começou a ser desenvolvida no final dos anos 1960, pelo físico Leonard Parker, entre outros. Em 1974, ganhou força quando o britânico Stephen Hawking descobriu que “buracos negros” perturbam o vácuo de todos campos quânticos ao seu redor…induzindo criação de partículas… — Infelizmente, essa produção acontece em uma taxa muito baixa, para ser observada da Terra, embora o efeito tenha revolucionado o entendimento de leis fundamentais da Física.

Em 1976, o físico William Unruh descobriu outro efeito, semelhante à radiação Hawking, mas que não depende da curvatura do espaço. – Em 2001, Vanzella e Matsas mostraram, em um artigo na Physical Review Letters, que o comportamento de um próton acelerado só pode ser entendido completamente se o “efeito Unruh” existir. – É por esses, e outros resultados, que os pesquisadores “botam a mão no fogo”… pela ‘TQCEC’.

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Potencial “efetivo” negativo

Calculado com as fórmulas dessa teoria, Matsas e colegas… concluíram em 2002 que “campos quânticos“, ao redor de estrelas com uma gravidade muito forte poderiam, a princípio…ser afetados por um “potencial efetivamente negativo”.

Eles tinham uma ‘expressão matemática’ para tal potencial, mas não sabiam como interpretá-lo…como lembra Matsas… – “A física dessa matemática ainda não estava clara”. Atarefados com outros projetos de pesquisa… – ele e Vanzella deixaram a questão de lado.

Entre 2001 e 2003, Vanzella trabalhou com Parker na Universidade de Wisconsin, EUA, deduzindo um fenômeno semelhante ao do ‘potencial negativo’ – a partir de um modelo usando uma espécie de ‘TQCEC’ modificada. A interpretação do potencial era clara… ele provocava um crescimento rápido… e sem limites da amplitude da ‘energia do vácuo.

Poderia então, o potencial negativo com que os pesquisadores brasileiros haviam se deparado…em 2002… – ser interpretado da mesma maneira?

A oportunidade de atacar o problema de frente surgiu em 2008 — quando William Lima aceitou explorar em sua tese de doutorado a possibilidade de encontrar efeitos parecidos usando a TQCEC convencional. Já no início do doutorado, ele e seu orientador, Vanzella, reencontraram em seus cálculos o velho conhecido potencial negativo, mas deduzindo-o de maneira mais genérica… — Em seguida, a dupla passou para a parte realmente difícil: descobrir que espécie de efeito esse tal “potencial negativo“…poderia afinal provocar.

A primeira ideia – sugerida por Matsas – era de que o ‘potencial’ induziria os ‘campos quânticos’ a saírem do estado de vácuo; e produzirem partículas. – Analisando mais a fundo porém perceberam que essa criação de fato ocorria, mas era desprezível, diante     de outro efeito mais importante… o ‘despertar do vácuo’ … algo parecido ao que havia sido analisado por Parker e Vanzella. Esse despertar só poderia ocorrer, subitamente, durante 2 situações distintas…o ‘Big Bang’, e a formação de uma ‘estrela de neutrons’.

Estrelas de neutrons

Junto com Matsas, Lima e Vanzella examinaram então, as ‘estrelas de neutrons’ em detalhes. Elas são… – de longe…os objetos macroscópicos mais densos do Universo. Concentram geralmente um pouco mais que a massa do Sol em um espaço de apenas 20 quilômetros de diâmetro.

Uma colher de chá da matéria de uma estrela desse tipo… – feita de neutrons concentrados, pesaria milhões de toneladas. Elas nascem de     um evento catastrófico chamado “supernova”.

Quando uma estrela… – com cerca de 10 massas solares… consome todo o seu combustível nuclear, suas camadas mais externas explodem… enquanto seu núcleo implode. De acordo com a massa da estrela original… – o núcleo pode se contrair sem parar … até desaparecer, formando um buraco negro. Mas, em vez disso, o processo de contração pode terminar em uma “estrela de neutrons” estável.

Isso é o que acontece se o vácuo não desperta… – e, realmente…astrônomos já observaram muitas nuvens de gás e poeira remanescentes da supernova, confirmando várias delas com estrelas de neutrons ‘estáveis’ em seu centro.

Lima, Vanzella e Matsas…sabendo disso, resolveram assumir em seus cálculos a presença de um “campo quântico” genérico e simplificado, governado por uma equação plausível…

“Não há princípio geral da Física que descarte a existência de campos desse tipo. – Só a natureza pode dizer se um campo assim existe… – Supondo que sim, ele ficará adormecido durante o processo de contração da estrela…até ela atingir um determinado raio… cujo valor exato depende da intensidade com que o campo interage com a curvatura do espaço-tempo… e da massa da estrela… – Nesse ponto… o vácuo desperta”… (assim comentou Matsas).

A energia de suas flutuações vai crescer exponencialmente. E, embora a energia total de vácuo do campo vá continuar – a rigor – sendo nula… – será incrivelmente positiva em alguns pontos do espaço, e igualmente negativa em outros; conforme explica Vanzella

“Em milissegundos, a energia dessas flutuações passa de um ínfimo valor, para outro… maior que o da própria estrela… – E as ‘flutuações de vácuo’ passam, nesse instante … a ser a fonte de energia mais importante que controla a curvatura do espaçotempo – segundo as equações de Einstein. De repente…a estrela se encontrará em um espaço ‘caoticamente’ curvo”.

Simulações quânticas

Como na prática, essas flutuações não poderiam crescer indefinidamente até o infinito, os pesquisadores acreditam que seus cálculos revelem apenas o instantâneo de uma situação provisória. – Logo essa enorme quantidade de energia armazenada no vácuo se dissiparia. Mas como exatamente?… – Poderia a estrela sobreviveria a esses instantes turbulentos?…

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Para descobrir a resposta, os pesquisadores terão de resolver a equação de Einstein, levando em conta as flutuações do vácuo…e a estrela… – algo atualmente impossível de se fazer com cálculos manuais…

Os novos cálculos dependem de simulações em modelagens computacionais… — o que o grupo espera fazer em breve…E Matsas complementa:

“Até fazer essas simulações … não dá para afirmar nada categoricamente. Há uma pequena chance de a estrela se estabilizar; mas seria como tentar equilibrar um lápis na ponta do dedo. — O mais provável mesmo…é que a energia do vácuo realize algo cataclísmico o suficiente…para que ao final, não se possa mais considerar a estrela… como uma estrela”.

Sobre possíveis destinos da estrela engolfada pelo vácuo… talvez a energia do vácuo possa fazer com que a estrela colapse… – formando um “buraco negro” … ou provocar um efeito repulsivo, resultando numa ‘explosão estelar’… – Mas se vai ocorrer uma coisa ou outra… ou uma combinação em que a estrela explode…mas também forma um buraco negro com   a massa restante… só se saberá com as simulações… como Vanzella examina em detalhes:

“Os cálculos computacionais podem… não apenas confirmar se o despertar do vácuo destrói estrelas, como fornecer detalhes a serem usados por astrofísicos para buscar evidências da existência do fenômeno… Toda semana, telescópios de raios X e gama registram sinais de eventos explosivos em todas partes do céu… — com alguns deles aguardando explicações conclusivas”.

Como Lima, Matsas e Vanzella ressaltam, o ponto forte de seus cálculos é estar baseado na ‘TQCEC’… – O fraco é que um campo quântico só dispara o efeito se cumprir 2 condições… Uma delas é que o campo seja afetado pela curvatura do espaço-tempo, de um certo modo, definido por suas equações (se o campo existir, eles não terão dúvida sobre a manifestação do efeito).

A outra é que a massa das partículas que o campo produz… seja menor do que um valor extremamente baixo – a massa da mais leve partícula conhecida…o neutrino. Como diz Matsas…“Até mesmo a massa do campo do neutrino seria muito alta… para qualquer estrela que a gente conheça”.

Só um campo conhecido satisfaria a essas condições. É o ‘campo eletromagnético’, cujas partículas – os fótons…têm massa igual a zero. Mas, para este campo, ainda não foram feitos os cálculos específicas… – que envolvem uma sofisticação maior, que as do campo utilizado na demonstração do efeito. – Segundo eles…é cedo para afirmar se no caso da estrela de neutrons… a energia de vácuo do “campo eletromagnético” seria ‘despertada’. 

‘Campos livres’ e a “energia de vácuo”                                                                             Em princípio pode existir um campo quântico ‘livre’, que interage apenas pela curvatura do espaço com os demais campos conhecidos. Nós não o vemos…não               porque não exista, mas porque está aqui…cruzando a Terra, sem percebermos”.

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A outra possibilidade…é que o efeito se deva a um campo…ainda desconhecido da física, afirma Vanzella…

“Que deva existir um campo assim, é praticamente certo… – As evidências vêm das medidas do “conteúdo total” de energia do universo… atualmente obtidas por ‘métodos independentes’, sempre com a mesma estarrecedora conclusão: todos os campos quânticos que se conhecem, somados, chegam somente a 4% do total da energia total calculada para o universo.

De acordo com as observações cosmológicas, do que falta…22% da energia deve estar na forma de “matéria escura”, e 74%, na de “energia escura”, contudo a ciência ainda pouco conhece das propriedades tanto de uma, quanto da outra… Vários modelos concorrentes procuram explicá-las, assumindo a existência de um ou mais “campos livres”… – Matsas acredita que explorar o efeito do “despertar do vácuo”, talvez seja a única maneira de confirmar se estes campos existem ou não…e explica:

“Seria improvável observá-los em ‘colisões’ num ‘acelerador de partículas’, pois o LHC só examina campos que interagem diretamente com a matéria”.

Na prática, o teste da existência do efeito deve ser feito observando a massa e o raio das estrelas de neutrons… – Se as observações astronômicas comprovarem que uma estrela desse tipo com certo raio e massa existe, mas a teoria afirmar que um certo campo livre a teria destruído durante sua formação, então, obviamente, a existência daquele tipo de campo estaria descartada… – Uma ideia a menos de preocupação para ‘físicos teóricos’.

fractal

No início, o universo passou por um desconhecido processo exponencial de crescimento. E, outra expansão (energia escura) está ocorrendo agora, sem que se saiba o porquê.

Embora a ideia do …vácuo … destruindo estrelas, seja inédita… há mais de 30 anos os cosmólogos levam a sério… – a possibilidade igualmente fantástica da energia do vácuo  ser a principal responsável pela ideia…de um universo de galáxias e estrelas…e não apenas uma imensa e amorfa nuvem de gás e poeira.

Essa aliás…é uma das predições da “Inflação Cosmológica”  –  enunciada inicialmente em 1979 pelo físico Alan Guth, como um adendo à teoria mais aceita para a origem e evolução do Universo… – a teoria do… “Big Bang“…

Segundo essa teoria, todo o universo se expandiu a partir de um estado com densidade e temperatura assombrosamente altas… e, tudo o que conhecemos teria surgido desse ‘Big Bang’…há um pouco mais de 13 bilhões de anos… Suas provas vêm não só da observação das galáxias distantes se afastando umas das outras… mas também de outras evidências.

Uma delas é a presença de uma tênue radiação…na faixa das micro-ondas, permeando todo o espaço, chamada de Radiação Cósmica de Fundo (RCF), a principal testemunha … de um passado mais quente e denso do Universo.

Esfriada pela expansão do Universo, a temperatura média atual da RCF atualmente está em torno de 270 °C negativos…com pequenas flutuações… – sendo que, o único modelo matemático capaz de explicar e descrever acuradamente a distribuição no espaço dessas flutuações é a “teoria inflacionária.

De acordo com essa teoria, instantes após o ‘Big Bang’, a energia do vácuo de um campo quântico hipotético (“inflaton“) teria feito o espaço se expandir exponencialmente. Com isso flutuações do vácuo em escala quântica foram infladas para escalas macroscópicas, dando origem às flutuações da “RCFM”… – Essas microvariações, por sua vez…foram o ‘ponto de partida’ para a formação das primeiras estrelas e galáxias do nosso Universo.

‘Energia escura’ – o problema em aberto…                                                                         O trabalho está em andamento, mas um pouquinho devagar. O motivo é que para o caso cosmológico os cálculos são muito mais complicados que no caso estelar… e vão exigir – mesmo em um primeiro momento… simulações computacionais avançadas”.

black-holes-deep-spaceVanzella diz ainda não ter pensado… se o efeito do ‘despertar do vácuo‘ poderia esclarecer o ‘modelo inflacionário‘… que, apesar de descrever as observações … de modo preciso ainda persiste incompleto, por não responder à “pergunta original” do que, afinal… poderia ter provocado a expansão exponencial; ou ainda… como teria surgido o campo escalar “inflaton“.

Mas… o físico da Universidade da Flórida, Richard Woodard, especialista em cosmologia, considera o trabalho dos brasileiros…“de qualidade muito boa”, e que o despertar do vácuo é um exemplo do tipo de efeito que ele acredita ter provocado a expansão…durante a ‘fase inflacionária’ da história do Universo.

Lima e Vanzella estão apenas começando a explorar quais consequências sua teoria pode ter na evolução do Universo. O que eles têm de certo até agora é apenas que o efeito, que começa e termina em questão de milissegundos, no caso astrofísico, se desenvolveria no “contexto cosmológico” … de maneira muito mais lenta… — ao longo de bilhões de anos.

Curiosamente essa é justamente a escala de tempo do fenômeno da ‘energia escura’…o problema cosmológico em aberto…mais misterioso e importante.

Desde o final dos anos 1990 – ‘observações cosmológicas‘ têm verificado que a taxa de expansão do universo cresce de forma acelerada…A causa seria algum alguma fonte de energia distribuída uniformemente por todo o Universo capaz de gerar uma espécie de antigravidade que compele o espaço a se expandir. Seria a energia escura na verdade a energia das flutuações do vácuo de um ou mais campos?…

Provar essa conexão, explicando uma com a outra … é um sonho de muitos físicos teóricos, mas até agora ninguém chegou perto disso… – É claro que Vanzella e Lima ficariam felizes se conseguissem explicar a energia escura pelo efeito de despertar do vácuo… – Mas, como ressalta Vanzella…Essa é apenas mais uma ideia a ser explorada…Mesmo que a energia do vácuo seja despertada em escala cosmológica … isso não garante que ela daria conta de explicar a energia escura”.

Texto base‘Poder do Vácuo’ (nov/2010) Estrela de neutrons pode acordar o vácuo quântico  (out/2010) # ‘O Despertar do Vácuo’  (Unesp/2010)  fontes p/ consulta: ‘A força do Vácuo’ (2010) # ‘Luz gerada pelo Vácuo’ (2011) ‘Tempestades no Vácuo’ (2014)  ************************(texto complementar)**************************************

Flutuações do Ponto Zero – A Natureza do Vácuo (Osvaldo Pessoa)

Vácuo é ausência de matéria, mas isso equivale ao nada?…Que nada! Vários fenômenos foram explicados no final da década de 40 supondo-se que existem flutuações de vácuo associadas à “energia de ponto zero”. Por exemplo, a emissão espontânea de fótons por um átomo em estado excitado pode ser parcialmente explicada…por meio de flutuações dos campos de vácuo… – A taxa de emissão espontânea pode inclusive ser reduzida suprimindo-se modos de flutuação do vácuo.

Mas, qual a natureza deste vácuo?… Podem as ‘flutuações do ponto zero’ serem consideradas flutuações reais de tipo clássico, como faziam Planck, Einstein e Nernst na década de 1910, ou ainda, conforme é defendido pela recente abordagem, conhecida como “eletrodinâmica estocástica”?…

Ou… será que as explicações a partir de flutuações do vácuo são um mero instrumento heurístico, devendo ser substituídas…as ‘partículas virtuais’, por um rígido tratamento quânticos?

Tais questões… relativas ao ‘vácuo eletromagnético‘ são exploradas na atual ‘teoria topológica de campos quânticos‘.

Mesmo em seu estado fundamental, um sistema quântico possui flutuações, e uma energia de ponto zero associada – caso contrário…o ‘princípio de incerteza’ seria violado. Portanto, o estado de vácuo de um campo quantizado – em especial, os campos elétrico e magnético no vácuo eletromagnético… são quantidades que flutuam.

Com efeito — o conceito mais básico da ‘teoria quântica’ é o de ‘estado’ de um sistema. Desde Maxwell, ‘o sistema’, no nível mais fundamental, significa um sistema de campos. Considerando as energias de estados desse sistema de campos, há um estado de energia mínima; o estado fundamental de estabilidade; os outros estados são ‘estados excitados’.

Desse modo, o vácuo é, de fato – precisamente, o estado de                             menor energia do sistema fundamental de muitos campos.

Por outro lado, os estados excitados podem ser descritos como contendo quanta – os chamados quanta elementares de excitação… Estes quanta são o aspecto corpuscular do campo. Assim, o vácuo não é uma substância, mas um estado. E, já que as partículas são ‘quanta de excitação’, e o vácuo é o estado no qual nenhum dos campos está excitado…o vácuo é o estado no qual não há nenhum quanta de excitação – o ‘estado sem partículas’.

Talvez  –  o próprio universo tenha surgido de uma flutuação quântica.

A “teoria quântica de campos” nos diz que o vácuo não é um tranquilo ‘estado do nada’ – mas…um estado quântico com flutuações… – e com consequências físicas…

Alguns desses efeitos que podem ser explicados a partir de ‘flutuações do vácuo‘ são: ‘deslocamento de Lamb’, emissão espontânea, efeito Casimir, ‘forças de van der Waals‘… emissão espontânea modificada por cavidades, ‘Efeito Unruh(fótons com espectro térmico vindos do vácuo, observados por referenciais acelerados) e ‘radiação de Hawking(ainda teórica.)

O vácuo eletromagnético é um estado sem quanta, sem fótons. Mesmo assim, de alguma forma, há campos nele… E fótons são os quanta destes campos — então…certamente, de algum modo…existem fótons (virtuais) no vácuo… — causando todos esses fenômenos. 

Campos de vácuo

O vácuo tem carga nula… As flutuações permitidas de matéria também precisam ter carga nula, ou seja, elas precisam ser pares de um quantum e seu anti-quantum correspondente, de carga oposta. Estas flutuações de matéria ocorrem espontaneamente… sendo a energia requerida ‘emprestada’ durante um tempo apropriadamente curto – de modo a que pares virtuais possam ser criados, e aniquilados, na vizinhança de qualquer partícula carregada.

Apesar de ter uma existência transitória, esses pares exercem um efeito mensurável…eles fazem com que o vácuo se comporte como um meio polarizável. A criação virtual de pares no vácuo da eletrodinâmica quântica traz consigo uma ‘blindagem’ da carga fundamental, reduzindo a carga aparente a grandes distâncias, ou aumentando-a a pequenas distâncias.

Em teorias do tipo eletrodinâmica quântica e cromodinâmica quântica, a polarização do vácuo produz um efeito de ‘anti-blindagem‘… – a carga efetiva desaparece inteiramente a distâncias muito curtas, e as partículas que carregam esta carga deixam de interagir! Esta propriedade é chamada de liberdade assintótica, sendo extremamente importante na explicação do sucesso de interpretações do ‘modelo quark‘ no espalhamento de léptons de alta energia em neutrons e prótons.

Emissão espontânea

Inicialmente… – pensava-se que a “emissão espontânea poderia ser uma ‘emissão forçada‘…sob a ação do campo de flutuação…do vácuo.

Porém… se levarmos a sério esta ideia… – e calcularmos a taxa de emissão devida ao ‘campo de vácuo’… – encontraremos apenas metade dos coeficientes de Einstein. Além disso, este método não explica a não absorção espontânea, a partir daquele campo eletromagnético.

Uma interpretação clássica…ainda mais antiga…da ‘emissão espontânea’ atribui este fenômeno à reação da radiação… A ideia, grosso modo, é que a emissão espontânea é simplesmente uma consequência do fato de que dipolos oscilantes irradiam. Mas não podemos usar aqui a eletrodinâmica clássicapois obteríamos resultados errôneos.

Uma explicação inquestionável da emissão espontânea foi dada por Fermi, em 1932… – A radiação espontânea aparece, porque aquele estado no qual um átomo se encontra em um nível, e o campo de radiação está ausente…não é um ‘auto-estado estacionário’ do sistema completo (átomo + campo eletromagnético).

Eletrodinâmica estocástica    Teoria clássica… que explica diversos  ‘fenômenos quânticos’… – a partir da existência de ‘flutuações do vácuo‘. Por exemplo o ‘princípio da incerteza’, que rege a posição, e momento de um elétron é propriamente explicado…ao       se supor uma interação…da partícula clássica com o vácuo eletromagnético.

A eletrodinâmica clássica consiste das ‘leis de movimento’ de Newton…para massas pontuais — bem como ‘equações diferenciais‘ de Maxwell  junto com suas ‘condições de contorno‘, para os campos eletromagnéticos. 

Ao escolher uma condição de contorno particular para as equações de Maxwell, Lorentz obteve uma teoria específica de elétrons. – Porém, sua escolha não é a única… e, de fato, hoje ela não parece ser das melhores.

Alterando as condições de contorno da teoria clássica de elétrons para incluir a presença de um campo homogêneo (e isotrópico) de radiação aleatória, com um espectro Lorentz invariante, esta outra teoria eletromagnética – puramente clássica – explica muito mais fenômenos do que a teoria de elétrons original de Lorentz… Em contrapartida, o modelo planetário para um átomo deve ser reconsiderado…Os elétrons movendo-se em torno do núcleo estão de fato irradiando energia, conforme cálculos do eletromagnetismo clássico.

Porém, um novo elemento surge… A ‘radiação do ponto zero‘ age de forma a produzir movimentos aleatórios nos elétrons…transferindo energia efetivamente através de forças aleatórias do eletromagnetismo clássico…Assim, o cálculo para o espectro de radiação no ponto zero do vácuo eletromagnético é obtido da ‘eletrodinâmica quântica’ (lei de Planck).

A ‘estabilidade’ da matéria é explicada na ‘eletrodinâmica estocástica‘ pelo balanço entre a energia perdida por radiação, e a energia ganha da ‘radiação de ponto zero‘. ***********************************************************************************

Sobre o ‘Princípio da Incerteza’… (Orkut – Comunidade de Astronomia!)

BoninNa maioria dos sistemas quânticos, só é possível definir a ‘energia total’, que é a soma das energias cinética e potencial. Chama-se de ‘energia do estado fundamental‘  a menor energia do sistema. Para um ‘oscilador harmônico’ esta energia fundamental não é zero, mas h.ω/2, sendo h a constante de Planck…e ω a frequência angular do oscilador.

Para o átomo de Hidrogênio, a energia do estado fundamental é -13,6eV. Nesses casos,       a menor energia possível para os sistemas não é zero. Mas em nenhum desses casos, o estado fundamental é ‘auto-estado’…nem do momento, nem da posição. Trocando em miúdos, mesmo no estado de mais baixa energia – não se tem nem o momento, nem a posição definidos.

Para o caso de partículas livres, o estado fundamental de fato tem energia nula e é auto-estado do momento com ‘autovalor zero’ – o que significa que as partículas estão todas paradas. Contudo, esses estados não são auto-estados da posição, de tal forma que elas não estão em posições definidas.

Por outro lado, para o caso de uma partícula livre, podemos medir sua posição, e ela estará num auto-estado da posição…Isso significa que ela possui (pelo menos instantaneamente) uma posição definida. – Contudo nesse caso, em contrapartida, seu momento é indefinido.

Resumindo a situação de um sistema livre… ele pode estar parado, mas não faz sentido afirmar alguma coisa sobre onde ele está parado, ou, ao contrário… podemos afirmar onde ele está – mas, nesse caso…não faz sentido dizer que ele está parado.

Cesar – se o corpo está parado, ele está parado em relação ao seu próprio referencial, logo não faz sentido alguém de fora do referencial afirmar onde ele está parado…Se o corpo está em movimento, seu movimento pode ser medido em relação a outro referencial…que não o seu próprio, para o qual estaria parado. – A propósito, se considerarmos o sistema solar, o sol está parado em relação aos planetas – na condição de seu ‘auto-referencial – já para um observador fora do sistema solar, o sol sempre está em movimento – nunca parado.

BoninComo saberíamos se uma partícula esta parada?… A partir de que referencial?
É como o Cesar falou, a velocidade é relativa… Um objeto pode estar parado em relação a outro e ambos em movimento em relação a um 3º. Na situação da Mecânica Quântica que foi exposta neste tópico, se diz que a partícula está parada (com momento nulo) em relação ao aparelho medidor. 

bn

Sobre deformações do espaçotempo

Cesar – Sob velocidades relativísticas… — o coeficiente de Lorentz faz com que o viajante em direção a uma estrela tenha seu percurso reduzido, e seu ‘tempo de contorno‘ esticado em relação a seu referencial. – Para um caso extremo (v=c) esse tempo externo congelaria como um ‘horizonte de eventos’. — Supondo que, dentro de um buraco negro a partícula viajante sofresse uma aceleração com velocidade superluminar, por teoria, analogia…ou simetria, ela retornaria à sua trajetória pelo espaço-tempo?…

E o viajante, ainda com uma velocidade sub-liminar, tendo o seu percurso, assim como seu tempo de chegada, reduzido em relação à estrela, sofreria em seu referencial, a aceleração residual da deformação do espaçotempo?

Bonin Esse caso extremo não existe.

CesarToda singularidade possui um horizonte de eventos, isso presumo, faz parte da física teórica. O tempo é congelado num horizonte de eventos… até aí tudo bem!… certo? A velocidade da luz nesse caso, não seria uma singularidade para a partícula material?

Bonin –toda singularidade possui ‘horizonte de eventos’…isso, presumo, faz parte da física teórica.”  — Até onde eu sei, isso é um ‘princípio’…chamado em inglês, de “cosmic sensorship hypothesis“… ou coisa assim…Não é algo provado a partir das equações de Einstein — mas aí…o Mario pode explicar melhor… — visto que RG é mais a praia dele.

“A velocidade da luz não seria uma singularidade para uma partícula material?”
– Não…Na verdade, não entendo o que você quer dizer com a velocidade da luz ser uma singularidade. É verdade que algumas quantidades divergiriam se a velocidade de uma partícula material pudesse ser igual à c…  – Um bom exemplo de tal quantidade seria o ‘fator gama de Lorentz… Mas o valor v=c não faz parte do domínio dessa quantidade pois, segundo a relatividade restrita… uma partícula massiva jamais pode atingir a velocidade da luz… – E isso não é uma hipótese, mas consequência da teoria.

MarioNo primeiro post do Cesar acho que ele comete um erro de interpretação. Para acelerar uma partícula até a velocidade da luz, é necessária uma quantidade energética tendendo a infinito… então… — não é possível que um corpo caindo no BN… tenha  v=c

A questão da ‘dilatação do tempo’, à medida que uma partícula teste se aproxima do BN, em relação a um referencial exterior ao buraco negro, se deve à curvatura espaçotempo, que fica cada vez maior – à medida que a partícula se aproxima do horizonte de eventos. Aí,  um sinal que a partícula mande para o seu observador que dure, por exemplo…1 seg, no tempo próprio da partícula, é recebida pelo observador com duração cada vez maior.

Quando a partícula chega ao “horizonte de eventos” … – qualquer ‘sinal’ que mande para o observador leva um ‘tempo infinito’ para chegar a ele, ou seja, ultrapassando o horizonte o sinal jamais chegará. – Mas, isso não tem nada a ver com a ‘velocidade de aproximação’ da partícula; o fato dela atravessar o horizonte não significa que ela chega à velocidade da luz. E, além do que…a partir do momento que a partícula ultrapassa esse horizonte… nenhuma teoria física pode prever seu estado ou comportamento…Toda informação que possua é transformada, pelo BN… – em “entropia” … – que é proporcional à sua área.

A Conjectura daCensura Cósmica‘, proposta por Roger Penrose em 1969, afirma que singularidades resultantes de um “colapso gravitacional” se escondem sempre no horizonte de eventos de um BN”. (Mauricio Richartz) 

conjecturas gravitacionaisSobre a ‘hipótese do sensor cósmico’ … Esta é mesmo uma hipótese, que é levada muito a sério pelos físicos. Ela diz que não existe singularidade sem horizonte de eventos…Se esta hipótese… – que realmente não é prevista em teoria…for correta – então toda informação no “cone futuro” de um buraco negro ‘nu’ … torna-se inacessível… para observadores fora desse cone de luz. – E…mais que isso, “sistemas físicos” dentro desse cone… – tornam-se imprevisíveis, pois as teorias da física não valem por lá.

Como não observamos setores inobserváveis no universo, e nosso mundo parece ser determinístico (falando classicamente) … acredita-se que a hipótese seja verdadeira.         Mas, têm físicos que buscam formas de driblar essa hipótese em sistemas quânticos. Porém, essa é outra história…

CesarSuponho que o buraco negro nada mais é do que um acelerador de partículas, as quais… espiralando em tunelamento para dentro dele… transformam suas dualidades em singularidades (radiação).

Bonin Partículas carregadas ao serem aceleradas emitem radiação. — Quando estas são atraídas para um buraco negro, são aceleradas…portanto, irradiam. Mas, isso não tem nada a ver com “tunelamento”… – Muito menos com “transformar suas dualidades em singularidades“… seja lá o que você quis dizer com isso.

Mario Cesar…uma ‘singularidade’ em Relatividade Geral tem um sentido matemático muito bem definido. Nós podemos dizer que existem singularidades no espaçotempo, por exemplo, mas não faz sentido dizer que a velocidade da luz para uma partícula material é uma singularidade… ou que a radiação é uma singularidade, neste contexto. Também não sei o que você diz com dualidades…

É verdade que a energia de uma partícula com massa tende a infinito… à medida que ela se aproxima da velocidade da luz. – Aí existe um sentido matemático dizer que a energia da partícula tem singularidade em v=c… – Mas…essa singularidade não tem nada a ver com ‘singularidades’ que podem existir dentro de buracos negros. Também não dá para dizer que radiação é uma singularidade por ‘andar’ à velocidade da luz…pois a energia da radiação não possui essa singularidade matemática das partículas com massa.

Até hoje ninguém sabia exatamente qual era o formato de um buraco negro. Mas, ainda que um deles nunca possa ser visto diretamente, agora já possível imaginá-los e desenhá-los no seu formato preciso: a forma de um elo redondo de corrente. [Imagem: Chris Reynolds]

Até hoje ninguém sabia exatamente qual era o formato de um buraco negro. Mas, ainda que um deles nunca possa ser visto diretamente, agora já possível imaginá-los e desenhá-los no seu formato preciso: a forma de um elo redondo de corrente. [Ilustração: Chris Reynolds]

Cesar  –  a dualidade a que me refiro é da partícula/onda (massiva)…enquanto a singularidade… a radiação (s/massa). Aliás, vocês já repararam nesse incrível mapeamento de BNs… – ‘Descoberto o formato dos buracos negros’

E também para este artigo… – dizendo que o efeito de tunelamento em BNs não é fora de propósito…a esses físicos brasileiros… ‘É possível induzir o strip-tease de buracos negros’.

Bonin Esses físicos brasileiros são do IFT, onde eu e o Mario fazemos doutorado.
Pelo pouco que eu entendo do assunto (o Mario sabe mais), a ideia deles é utilizar o tunelamento para investigar acosmic sensorship hipothesis“.

Mas, isso não tem nada a ver com o fato da matéria carregada emitir radiação…Se você tratar o elétron classicamente, sem nada de quântico, ele emite radiação do mesmo jeito. Portanto, isso não tem relação com a dualidade onda/partícula. Mais uma vez radiação não é uma singularidade. Radiação nada mais é do que onda eletromagnética.

Cesar inclusive a ‘radiação de Hawking’?

Mario –  Bonin tem razão. Matéria quente ao redor do buraco negro existe porque a aceleração a que é submetida faz com que se emita radiação de partículas carregadas eletricamente. O fenômeno não é quântico. Aliás, em buracos negros supermassivos,   como os que existem no centro de galáxias  –  fenômenos quânticos são irrelevantes.

O que o Matsas e o André estão estudando é como um buraco negro pode revelar sua singularidade através de um fenômeno quântico (semiclássico é a expressão correta),       de tunelamento. Mas esse mecanismo é ainda muito controverso, e ainda tem muito trabalho por ser feito…  —  segundo o que o Matsas nos disse no fim do ano passado.

Mais uma vez… buracos negros muito massivos não apresentariam essa possibilidade.
Radiação Hawking também é um fenômeno quântico irrelevante para buracos negros muito massivos. Aliás, é muito improvável que ela seja experimentalmente detectável.       E ela não é uma singularidade. 

textos p/consulta ‘Na Boca de um Buraco Negro’ (maio/2002) # ‘Singularidades expostas’ (out/2007) # ‘É possível desnudar um buraco negro’ (dez/2007) # “Onde a gravidade é fraca, e singularidades nuas são proibidas” (jul/2017)

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Sobre Cesarious

estudei Astronomia na UFRJ no período 1973/1979... (s/ diploma)
Esse post foi publicado em astronomia, cosmologia, física e marcado . Guardar link permanente.

Uma resposta para O “Despertar (superquântico) do Vácuo”

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