Desde finais da década de 1920 que os astrónomos sabem que o Universo está em expansão. Esta noção, inicialmente prevista pela Teoria da Relatividade Geral de Einstein, passou a estar associada ao modelo cosmológico mais aceite – a Teoria do Big Bang. No entanto, as coisas tornaram-se um pouco mais complicadas na década de 1990, quando as novas observações mostraram que a taxa de expansão do Universo está a acelerar há milhares de milhões de anos.

Isto levou ao nascimento da Teoria da Energia Escura, uma misteriosa força invisível que estaria a impulsionar a expansão do cosmos. Tal como acontece com a matéria escura, que explica a “massa perdida”, tornou-se necessário encontrar esta energia elusiva, ou pelo menos fornecer-lhe uma explicação teórica coerente.

Um novo estudo desenvolvido por investigadores da Universidade da Colúmbia Britânica (UBC – University of British Columbia) procura fazer exatamente isso, postulando que o Universo se está a expandir devido a flutuações no espaço e no tempo.

O estudo – recentemente publicado na revista Physical Review D – foi conduzido por Qingdi Wang, estudante de doutoramento do Departamento de Física e Astronomia da UBC, sob a orientação do Professor William Unruh, também da UBC, e com a ajuda de Zhen Zhu (outro estudante de doutoramento da mesma universidade), e fornece uma nova perspetiva sobre a Energia Escura.

Galáxia.
Um novo estudo realizado por investigadores da Universidade da Colúmbia Britânica oferece uma nova explicação para a Energia Escura. Crédito: NASA.

A equipa começa por abordar as inconsistências que decorrem das duas teorias principais que em conjunto pretendem explicar todos os fenómenos naturais do Universo. Estas teorias são nem mais, nem menos, que a Teoria da Relatividade Geral e a Mecânica Quântica, e explicam, respetivamente, o comportamento do Universo em grande escala (estrelas, galáxias, enxames) e em pequena escala (partículas subatómicas).

Infelizmente, as duas teorias não são compatíveis quando falamos de algo como a gravidade, já que os cientistas ainda não a conseguem explicar à luz da Mecânica Quântica. A existência da Energia Escura e a expansão do Universo são outro ponto de discordância.

O candidato mais natural para explicar a energia escura é a energia do vácuo. Aplicando a Mecânica Quântica à energia de vácuo, a teoria prevê que ela deverá ter uma densidade incrivelmente grande, muito superior à energia total de todas as partículas no Universo. Mas se isso for verdade, então, segundo a Relatividade Geral, esta energia deveria ter um efeito gravitacional incrivelmente forte, suficientemente poderoso para fazer explodir o Universo. Felizmente, isso não acontece e o Universo expande-se muito lentamente. Mas levantam-se aqui muitos problemas que têm de ser resolvidos para a física fundamental progredir.

Ao contrário de outros cientistas que tentaram modificar as teorias da Mecânica Quântica ou da Relatividade Geral para resolverem o problema, esta equipa sugere uma abordagem diferente. Para o seu estudo, Wang e os colegas realizaram novos conjuntos de cálculos sobre a energia do vácuo levando em conta a elevada densidade de energia prevista. Consideraram então a possibilidade de, à mais pequena das escalas (milhares de milhões de vezes inferior à de um eletrão), o tecido do espaço-tempo estar sujeito a flutuações selvagens, oscilando em cada ponto entre a expansão e a contração.

À medida que o espaço-tempo oscila, para frente e para trás, os efeitos dessa oscilação quase que se anulam mutuamente, mas o resultado final leva o Universo a expandir-se lentamente com uma taxa de aceleração.

Flutuações no espaço-tempo.
Poderão as flutuações nos níveis mais ínfimos do espaço-tempo explicar a Energia Escura e a expansão do Universo? Crédito: University of Washington.

Após os cálculos, a equipa notou que esta explicação está de acordo com a existência da densidade de energia quântica do vácuo, mas também com a Relatividade Geral. Além disso, também está de acordo com o que os cientistas têm vindo a observar no Universo há quase um século.

Em vez de teorias em conflito de um Universo em que as diversas forças que o governam não podem ser resolvidas, Wang e a sua equipa apresentam a imagem de um Universo em constante movimento. Neste cenário, os efeitos da energia do vácuo praticamente autoanulam-se, mas dão também origem à expansão e aceleração que temos vindo a observar.

Embora possa ser ainda muito cedo para o afirmarmos, esta imagem de um Universo altamente dinâmico (mesmo às escalas mais pequenas) poderá revolucionar a nossa noção do espaço-tempo. Será pelo menos um estímulo para o debate dentro da comunidade científica, bem como para novos projetos de experiências que possam oferecer evidências diretas.

Fontes da notícia: UTUBC

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