A misteriosa energia que está ACELERANDO o UNIVERSO

Qual é a coisa mais misteriosa que você conhece? Talvez seja uma lenda urbana mal explicada na sua cidade natal, ou quem sabe um boato de internet que você investigou a fundo e nunca encontrou uma resposta. Mas hoje eu preciso compartilhar com vocês o maior mistério que eu conheço.

Um mistério do tamanho do universo, literalmente. O universo está se expandindo, e essa expansão está acelerando. Só que ninguém sabe o que faz essa expansão acelerar.

A misteriosa expansão acelerada do universo é atribuída a um tipo de energia chamada energia escura. E até onde sabemos, energia escura é só isso. Ela é a energia que faz o universo expandir cada vez mais rápido.

E essa energia é escura justamente porque ela nunca nos deu nenhuma indicação de qual que é sua verdadeira natureza. E se você assistir esse vídeo até o final, nós vamos explorar esse mistério e entender tudo o que nós não sabemos sobre energia escura. Nós vamos ver como Einstein descobriu energia escura por acidente, quais são as evidências e possíveis explicações para o maior mistério do universo e como, sem querer, a energia escura gerou o maior erro da história da física.

O começo do século XX foi marcado por revoluções em todas as áreas da física, inclusive na forma como nós vemos o universo. No que diz respeito às observações, astrônomos mostraram que a nossa galáxia nem de perto era a única galáxia do universo. O universo era muito maior do que o que imaginávamos até então.

E na parte teórica, a teoria da relatividade geral de Albert Einstein produziu uma equação chamada equação de campo de Einstein. A equação de campo de Einstein descreve a gravidade não como uma força, que é o que a antiga equação de Newton descrevia. Na versão de Einstein, a gravidade é a curva no tecido espaço-tempo.

O que isso significa, na prática, é que de acordo com a visão de Einstein, o próprio espaço é algo que pode mudar. No espaço vazio, o espaço é plano, liso como um tecido esticado, e objetos se movem em linha reta. Se colocarmos um objeto massivo, o tecido se curva.

E essa curvatura é causada pela massa do objeto sobre o tecido. Agora, objetos se movendo no tecido curvado não seguem em linhas retas, e sim curvas que seguem a distorção no tecido. Da mesma forma, objetos se movendo perto de planetas ou estrelas são afetados pela curva no próprio espaço, que é percebida como a gravidade.

A letra G no lado esquerdo da equação de Einstein representa essa curva do espaço. E a letra T do lado direito representa a distribuição de matéria que está causando essa curva no espaço. O poder da equação de campo de Einstein está no quão geral ela é.

É possível começar pela descrição de uma curvatura e encontrar qual tipo de distribuição de matéria causa essa curvatura, ou começar de uma distribuição de matéria e entender o que isso faz para o espaço. E foi justamente combinar as novas observações de um universo cheio de galáxias com a equação de campo de Einstein que permitiu aos físicos criarem algo inédito, a equação de campo do universo. E a ideia por trás dessa equação é simples.

Partindo das observações astronômicas de outras galáxias, nas maiores escalas o universo parece ser isotrópico e uniforme. Isotrópico significa que o universo parece ser igual em todas as direções. Existe o mesmo número de galáxias em todas as direções do céu.

E uniforme significa que não existe nenhum lugar especial no universo. Todos os pontos do universo são meio que a mesma coisa, só que em lugares diferentes. Todas as galáxias do universo são informações sobre como a matéria dele está distribuída.

E físicos como Alexander Friedmann colocaram essas informações na equação de campo de Einstein para criar e resolver uma só equação para o universo inteiro. E o resultado foi chocante. O universo teve um começo.

Nós estamos no meio da história dele e um dia o universo vai ter um fim. E isso foi chocante porque até então a posição favorita dos astrônomos era que o universo era eterno e imutável. E as soluções de Friedmann desafiavam a visão de um universo eterno sustentado por figuras como o próprio Albert Einstein.

Segundo Albert Einstein, o universo era eterno e imutável. Segundo a equação de Einstein, o universo era finito e mutável. Então qual das duas visões está certa?

Einstein queria estar pessoalmente certo. Então ele fez algo bem ousado. Einstein mudou essa equação para que ela concordasse com ele, adicionando um terceiro termo na equação que ele chamou de constante cosmológica, que é essa letra grega lambda que foi adicionada à equação.

A constante tinha um valor bem específico, e resolvendo a equação de Einstein com ela, o resultado era um universo estático e eterno, como Einstein preferia. Dentro da equação, a constante cosmológica funcionava como uma fonte de antigravidade, impedindo que a gravidade causasse algum tipo de mudança no universo no decorrer do tempo. Mas aqui eu acho importante deixar claro que o verdadeiro significado físico da nova constante não estava claro nem para Einstein.

Ele adicionou a constante cosmológica só para consertar o universo e fazer ele ser eterno. Mas a felicidade de Einstein não durou muito tempo. Na primeira metade do século XX, observações de galáxias distantes e ondas de rádio do passado remoto, provaram que o universo estava em expansão, e que ele teve um começo em um Big Bang há mais de 13 bilhões de anos.

Einstein e a sua constante cosmológica estavam erradas, e ele até se retratou, afirmando que a constante cosmológica tinha sido seu maior erro. A questão agora não é se o universo tinha um começo, mas sim qual era a história que conectava esse começo do nosso universo com a formação de galáxias que dominam o universo no presente. A ideia geral é que o Big Bang foi o momento em que o universo começou a se expandir a partir de uma pequena região do espaço com densidade e temperatura extrema.

E com a expansão, o universo esfriou e as galáxias se formaram. O problema é que o universo observável é muito maior do que o esperado. Algo fez o universo primordial se expandir extremamente rápido.

Muito mais rápido do que o esperado pelo trabalho de Friedman e suas equações do universo, era preciso adicionar algo novo na cosmologia para explicar a rápida expansão do universo primordial. E não só isso. Essa expansão extrema precisa ter perdido força para deixar as galáxias se formarem.

Esse algo novo foi chamado de inflação. E a primeira versão de inflação foi proposta por Alan Guth, no começo dos anos 80. A ideia mais popular de inflação é a seguinte.

A melhor descrição da matéria do universo é através de campos quânticos. Campos quânticos são como tabelas do Excel universais. O valor em cada célula representa a energia que o campo tem naquela região do espaço.

E essa energia, em geral, se expressa como matéria. Quando o campo de elétrons ganha energia, ele cria elétrons. Quando os elétrons aceleram, eles depositam parte da sua energia no campo eletromagnético, produzindo radiação, que são partículas de luz.

E dessa forma, através dos campos, a matéria criada interage com mais matéria. Quando um campo ganha energia e não produz matéria, essa energia se expressa como uma pressão, como um gás sentando-se expandir. E essa pressão pode dar origem a uma expansão extremamente rápida de um universo primordial.

Ou seja, um campo quântico cheio de energia causaria uma expansão do universo primordial, uma inflação. Campos quânticos têm energia, e é possível colocar esse campo inflacionário na equação de campo de Einstein. E é aqui que encontramos uma coincidência estranha.

Um campo inflacionário se comporta exatamente como a constante cosmológica de Albert Einstein. A pressão de um campo inflacionário age contra a gravidade, impedindo colapsos e criando a inflação do universo primordial se for intensa o suficiente. E se o campo de inflação não perdeu toda a sua energia depois da inflação terminar, ele atuaria exatamente como a energia escura, causando uma aceleração da expansão do universo.

A ideia de inflação e campos inflacionários é hipotética ainda hoje. E ela era ainda mais hipotética quando foi proposta pela primeira vez. Era preciso evidências tanto para a inflação quanto para a energia escura.

E essas evidências vieram. Em 1998, o experimento High-Z Supernova estudou a distância e velocidade desde galáxias próximas até galáxias a mais de bilhões de anos de distância. E o experimento encontrou uma tendência clara.

Quanto mais longe uma galáxia estava de nós, mais rápido ela se afastava de nós. Em outras palavras, o universo se expande de forma acelerada. Ou, sendo ainda mais direto, existe algum tipo de energia desconhecida causando a expansão acelerada do universo, que é exatamente o que nós estávamos buscando quando falávamos de energia escura.

Ou seja, energia escura existe. E não só existe, como ela se comporta exatamente como a constante cosmológica de Einstein. O maior erro de Einstein foi, na verdade, um acerto acidental.

Einstein só errou o valor da constante. E isso nos leva ao próximo ponto. O que nós sabemos sobre energia escura além do fato de ela existir?

Energia escura é a forma de energia dominante no universo atual, compondo quase 70% de toda a energia do universo. A razão para isso é que a quantidade de energia escura parece ser diretamente proporcional ao volume do universo. Enquanto o universo se expande, a quantidade de matéria continua a mesma, mas o volume dele fica maior.

Então a densidade de matéria no universo diminui, mas o mesmo não acontece para a energia escura. A densidade de energia escura é constante. E a quantidade de energia escura aumenta junto com o volume total do Universo.

A outra coisa que nós sabemos é a densidade de energia escura no Universo, que é muito baixa. Por referência, 1 J de energia é energia que um peso de 100 gramas segurados a 1 metro de altura tem. A densidade de energia escura é de 0,1 bilionésimos de J por metro cúbico.

Ou seja, um cubo de 1 metro de lado de energia escura tem basicamente a mesma energia de um grão de poeira suspenso no ar. O que é muito pouca energia. Se você pegar toda a energia escura que existe no volume que a Terra ocupa de mais de trilhão de metros cúbicos, você teria energia equivalente a um único grama de urânio.

Ou 3% da energia necessária para abastecer um avião comercial. A densidade de energia escura é extremamente baixa, mas como a energia escura ocupa o universo inteiro com densidade constante, essa baixa densidade se acumula e se torna o fator dominante do universo moderno. Quanto maior o universo, mais energia escura ele tem, e mais rápido ele se expande.

E é até por isso que a maior parte das explicações de energia escura tenta associar essa energia ao próprio vácuo do espaço, porque o vácuo também aumenta com o universo. Então, quais são essas possíveis explicações para a energia escura? A primeira delas é a ideia que eu já citei, um campo quântico inflacionário.

Um campo quântico que pode guardar energia e agir criando uma pressão de expansão no universo. Idealmente esse campo de energia escura vai ser o mesmo campo que causou a expansão acelerada do universo primordial. E a energia escura vai ser só expressão tardia dessa mesma inflação primordial.

Uma alternativa mais direta é tentar associar a própria energia do vapo do espaço à energia escura. O universo é preenchido pelos campos quânticos que geram a matéria como conhecemos. A energia desses campos nunca é perfeitamente zero.

Sempre existem pequenas flutuações de energia acontecendo devido ao princípio da incerteza da mecânica quântica. Por conta disso, o vazio do espaço não é perfeitamente vazio. Sempre existem pequenas flutuações de energia surgindo e sumindo nele.

É como uma lagoa que de longe parece perfeitamente lisa, mas de perto tem umas pequenas ondulações. O vácuo do espaço também tem as suas ondulações, e essas flutuações poderiam dar origem à pressão da energia escura. A energia escura do vácuo quântico é uma excelente ideia em teoria.

Ela explica a energia escura sem depender de algo novo, como um campo de inflação. O problema aqui é fazer as contas. Deve ser possível prever quanta energia escura existe baseada nas flutuações do vácuo quântico.

Mas quando os físicos fizeram a conta, ela deu errado. Muito errado! Essa conta é literalmente o maior erro da história da física teórica.

A densidade de energia escura observada no universo é 10 elevado a menos 10 joules por metro cúbico. 0,1 bilionésimos de joule por metro cúbico. Isso é um erro por um fator de 10 elevado a 120.

Isso é um 1 seguido de 120 zeros. Um erro de 1 trilhão de trilhão de trilhão de trilhão de trilhão de trilhão de trilhão de trilhão de vezes. Eu falei trilhão 8 vezes, eu acho.

Então, tem alguma terceira tentativa para a energia escura? Mais ou menos. Existem algumas tentativas de descartar a existência de energia escura, mas elas não são tão favorecidas pelas evidências.

Atualmente, a energia do vácuo e campos inflacionários são os nossos melhores candidatos à energia escura. E, para piorar, não é impossível que a energia escura seja, na verdade, as duas coisas ao mesmo tempo. Talvez, tanto um campo inflacionário quanto a energia do vácuo do espaço contribuam para o valor da constante cosmológica de Einstein.

Só a existência de energia escura já é um problema e tanto, mas o problema talvez ainda seja um problema mais complexo, que precisa de mais do que uma teoria nova para ser completamente explicado. E se isso não te deixa satisfeito, esse é o ponto. Eu falei que a energia escura era o maior mistério do universo.

Energia escura é 70% de tudo o que existe, ocupando todo o volume do universo. Tem energia escura ao seu redor nesse momento, e você não tem como saber nada sobre ela, apenas o fato de que a expansão acelerada do universo é culpa dela. E eu não sei vocês, mas isso me deixa extremamente desconfortável.

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Muito obrigado e até a próxima.