Há milénios, Aristóteles afirmou que a natureza abomina o vácuo, raciocínio que os objetos voariam através do espaço verdadeiramente vazio a velocidades impossíveis. Em 1277, o bispo francês Etienne Tempier revidou, declarando que Deus poderia fazer qualquer coisa, até mesmo criar um vácuo.
Então, um mero cientista conseguiu. Otto von Guericke inventou uma bomba para sugar o ar de uma esfera oca de cobre, estabelecendo talvez o primeiro vácuo de alta qualidade na Terra. Numa demonstração teatral em 1654, ele mostrou que nem mesmo duas parelhas de cavalos esforçando-se para rasgar a bola do tamanho de uma toranja poderiam superar a sucção do nada.
Desde então, o vácuo tornou-se um conceito fundamental na física, a base de qualquer teoria de alguma coisa. O vácuo de Von Guericke era uma ausência de ar. O vácuo eletromagnético é a ausência de um meio que possa desacelerar a luz. E um vácuo gravitacional carece de qualquer matéria ou energia capaz de dobrar o espaço. Em cada caso, a variedade específica do nada depende do tipo de coisa que os físicos pretendem descrever. “Às vezes, é a forma como definimos uma teoria”, disse Patrick Draper, um físico teórico da Universidade de Illinois.
À medida que os físicos modernos lutaram com candidatos mais sofisticados para a teoria definitiva da natureza, encontraram uma multidão crescente de tipos de nada. Cada um tem seu comportamento, como se fosse uma fase diferente de uma substância. Cada vez mais, parece que a chave para compreender a origem e o destino do universo pode ser uma contabilização cuidadosa destas variedades proliferantes de ausência.
“Estamos aprendendo que há muito mais para aprender sobre nada do que pensávamos”, disse Isabel Garcia Garcia, físico de partículas do Instituto Kavli de Física Teórica, na Califórnia. “Quanto mais estamos perdendo?”
Até agora, esses estudos levaram a uma conclusão dramática: o nosso universo pode assentar numa plataforma de construção de má qualidade, um vácuo “metaestável” que está condenado – num futuro distante – a transformar-se num outro tipo de nada, destruindo tudo no processo. .
Nada Quântico
Nada começou a parecer algo no século 20, quando os físicos passaram a ver a realidade como uma coleção de campos: objetos que preenchem o espaço com um valor em cada ponto (o campo elétrico, por exemplo, informa quanta força um elétron sentirá). em lugares diferentes). Na física clássica, o valor de um campo pode ser zero em qualquer lugar, de modo que não tenha influência e não contenha energia. “Classicamente, o vácuo é enfadonho”, disse Daniel Harlow, um físico teórico do Instituto de Tecnologia de Massachusetts. "Nada está acontecendo."
Mas os físicos aprenderam que os campos do universo são quânticos, e não clássicos, o que significa que são inerentemente incertos. Você nunca capturará um campo quântico com energia exatamente zero. Harlow compara um campo quântico a um conjunto de pêndulos – um em cada ponto do espaço – cujos ângulos representam os valores do campo. Cada pêndulo fica quase reto, mas oscila para frente e para trás.
Deixado sozinho, um campo quântico permanecerá na sua configuração de energia mínima, conhecida como “vácuo verdadeiro” ou “estado fundamental”. (Partículas elementares são ondulações nesses campos.) “Quando falamos sobre o vácuo de um sistema, temos em mente, de uma forma vaga, o estado preferido do sistema”, disse Garcia Garcia.
A maioria dos campos quânticos que preenchem o nosso universo tem um, e apenas um, estado preferido, no qual permanecerão por toda a eternidade. A maioria, mas não todos.
Aspiradores verdadeiros e falsos
Na década de 1970, os físicos passaram a apreciar a importância de uma classe diferente de campos quânticos cujos valores preferem não ser zero, mesmo em média. Esse “campo escalar” é como uma coleção de pêndulos, todos pairando, digamos, em um ângulo de 10 graus. Esta configuração pode ser o estado fundamental: os pêndulos preferem esse ângulo e são estáveis.
Em 2012, experimentalistas do Large Hadron Collider provaram que um campo escalar conhecido como campo de Higgs permeia o universo. A princípio, no universo quente e primitivo, seus pêndulos apontavam para baixo. Mas à medida que o cosmos arrefeceu, o campo de Higgs mudou de estado, tal como a água pode congelar e transformar-se em gelo, e todos os seus pêndulos subiram para o mesmo ângulo. (Esse valor de Higgs diferente de zero é o que dá a muitas partículas elementares a propriedade conhecida como massa.)
Com campos escalares por perto, a estabilidade do vácuo não é necessariamente absoluta. Os pêndulos de um campo podem ter vários ângulos semiestáveis e uma tendência para mudar de uma configuração para outra. Os teóricos não têm a certeza se o campo de Higgs, por exemplo, encontrou a sua configuração favorita absoluta – o verdadeiro vácuo. Alguns tem argumentou que o estado atual do campo, apesar de ter persistido durante 13.8 mil milhões de anos, é apenas temporariamente estável, ou “metaestável”.
Se assim for, os bons tempos não durarão para sempre. Na década de 1980, os físicos Sidney Coleman e Frank De Luccia descreveram como um falso vácuo de um campo escalar poderia “decair”. A qualquer momento, se um número suficiente de pêndulos em algum local se mover para um ângulo mais favorável, eles arrastarão seus vizinhos para encontrá-los, e uma bolha de vácuo verdadeiro voará para fora quase à velocidade da luz. Ele irá reescrever a física à medida que avança, destruindo os átomos e moléculas em seu caminho. (Não entre em pânico. Mesmo que o nosso vácuo seja apenas metaestável, dado o seu poder de permanência até agora, provavelmente durará milhares de milhões de anos mais.)
Na potencial mutabilidade do campo de Higgs, os físicos identificaram a primeira de um número praticamente infinito de maneiras pelas quais o nada poderia matar a todos nós.
Mais problemas, mais aspiradores
À medida que os físicos tentaram encaixar as leis confirmadas da natureza num conjunto maior (preenchendo lacunas gigantescas no nosso entendimento no processo), eles criaram teorias candidatas da natureza com campos adicionais e outros ingredientes.
Quando os campos se acumulam, eles interagem, influenciando os pêndulos uns dos outros e estabelecendo novas configurações mútuas nas quais gostam de ficar presos. Os físicos visualizam esses vácuos como vales em uma “paisagem energética” ondulada. Diferentes ângulos do pêndulo correspondem a diferentes quantidades de energia, ou altitudes na paisagem energética, e um campo procura diminuir a sua energia tal como uma pedra procura rolar colina abaixo. O vale mais profundo é o estado fundamental, mas a pedra pode parar - pelo menos por um tempo - em um vale mais alto.
Algumas décadas atrás, a paisagem explodiu em escala. Os físicos Joseph Polchinski e Raphael Bousso estudavam certos aspectos da teoria das cordas a principal estrutura matemática para descrever o lado quântico da gravidade. A teoria das cordas só funciona se o universo tiver cerca de 10 dimensões, com as extras enroladas em formas minúsculas demais para serem detectadas. Polchinski e Bousso calculado em 2000 que tais dimensões extras poderiam se dobrar de inúmeras maneiras. Cada forma de dobramento formaria um vácuo distinto com suas próprias leis físicas.
A descoberta de que a teoria das cordas permite quase incontáveis vácuos está de acordo com outra descoberta de quase duas décadas antes.
Os cosmólogos no início da década de 1980 desenvolveram uma hipótese conhecida como inflação cósmica que se tornou a principal teoria do nascimento do universo. A teoria sustenta que o universo começou com uma rápida explosão de expansão exponencial, o que explica facilmente a suavidade e a imensidão do universo. Mas os sucessos da inflação têm um preço.
Os pesquisadores descobriram que, uma vez iniciada a inflação cósmica, ela continuaria. A maior parte do vácuo explodiria violentamente para sempre. Apenas regiões finitas do espaço parariam de inflar, tornando-se bolhas de relativa estabilidade separadas umas das outras pela inflação do espaço intermediário. Os cosmólogos inflacionários acreditam que chamamos de lar uma dessas bolhas.
Um Multiverso de Vácuos
Para alguns, a noção de que vivemos num multiverso – uma paisagem interminável de bolhas de vácuo – é perturbador. Faz com que a natureza de qualquer vácuo (como o nosso) pareça aleatória e imprevisível, restringindo a nossa capacidade de compreender o nosso universo. Polchinski, que morreu em 2018, disse A física e autora Sabine Hossenfelder disse que a descoberta do cenário de vácuos da teoria das cordas inicialmente o deixou tão infeliz que o levou a procurar terapia. Se a teoria das cordas prevê todas as variedades imagináveis de nada, será que ela previu alguma coisa?
Para outros, a infinidade de aspiradores não é um problema; “na verdade, é uma virtude”, disse Andrei Linde, um cosmólogo proeminente da Universidade de Stanford e um dos desenvolvedores da inflação cósmica. Isso ocorre porque o multiverso potencialmente resolve um grande mistério: a energia ultrabaixa do nosso vácuo específico.
Quando os teóricos estimam ingenuamente a instabilidade colectiva de todos os campos quânticos do universo, a energia é enorme – suficiente para acelerar rapidamente a expansão do espaço e, em pouco tempo, destruir o cosmos. Mas a aceleração observada do espaço é extremamente moderada em comparação, sugerindo que grande parte da instabilidade colectiva se anula e o nosso vácuo tem um valor positivo extraordinariamente baixo para a sua energia.
Num universo solitário, a minúscula energia do único vácuo parece um profundo quebra-cabeça. Mas em um multiverso, é pura sorte. Se diferentes bolhas no espaço tiverem energias diferentes e se expandirem em taxas diferentes, as galáxias e os planetas se formarão apenas nas bolhas mais letárgicas. O nosso vácuo calmo, portanto, não é mais misterioso do que a órbita Cachinhos Dourados do nosso planeta: encontramo-nos aqui porque a maior parte dos outros lugares é inóspita à vida.
Ame ou odeie, a hipótese do multiverso, conforme entendida atualmente, tem um problema. Apesar do menu aparentemente infinito de vácuos da teoria das cordas, até agora ninguém encontrou uma dobra específica de minúsculas dimensões extras que corresponde a um vácuo como o nosso, com sua energia pouco positiva. A teoria das cordas parece produzir vácuos de energia negativa com muito mais facilidade.
Talvez a teoria das cordas não seja verdadeira, ou a falha possa residir na compreensão imatura que os investigadores têm dela. Os físicos podem não ter encontrado a maneira certa de lidar com a energia positiva do vácuo na teoria das cordas. “Isso é perfeitamente possível”, disse Nathan Seiberg, físico do Instituto de Estudos Avançados de Princeton, Nova Jersey. “Este é um tema quente.”
Ou nosso vácuo pode ser inerentemente incompleto. “A visão predominante é que o espaço [energizado positivamente] não é estável”, disse Seiberg. “Ele poderia decair para outra coisa, então essa pode ser uma das razões pelas quais é tão difícil entender sua física.”
Estes investigadores suspeitam que o nosso vácuo não é um dos estados preferidos da realidade e que um dia irá oscilar para um vale mais profundo e mais estável. Ao fazer isso, nosso vácuo poderia perder o campo que gera elétrons ou adquirir uma nova paleta de partículas. As dimensões firmemente dobradas poderiam se desenrolar. Ou o vácuo poderia até mesmo desistir completamente da existência.
“Essa é outra das opções”, disse Harlow. “Um verdadeiro nada.”
O fim do vácuo
O físico Edward Witten descobriu pela primeira vez o “bolha de nada”em 1982. Ao estudar um vácuo com uma dimensão extra enrolada em um pequeno círculo em cada ponto, ele descobriu que os tremores quânticos inevitavelmente balançavam a dimensão extra, às vezes encolhendo o círculo até um ponto. À medida que a dimensão desaparecia no nada, Witten descobriu, ela levou consigo todo o resto. A instabilidade geraria uma bolha em rápida expansão sem interior, com a sua superfície espelhada marcando o fim do próprio espaço-tempo.
Esta instabilidade de dimensões minúsculas há muito que atormenta a teoria das cordas, e vários ingredientes foram concebidos para as fortalecer. Em dezembro, Garcia Garcia, juntamente com Draper e Benjamin Lillard, de Illinois, calcularam a vida útil de um vácuo com uma única dimensão extra enrolada. Eles consideraram vários sinos e assobios estabilizadores, mas descobriram que a maioria dos mecanismos não conseguia parar as bolhas. Suas conclusões alinhado com Witten: quando o tamanho da dimensão extra caiu abaixo de um certo limite, o vácuo entrou em colapso imediatamente. Um cálculo semelhante – estendido a modelos mais sofisticados – poderia excluir vácuos na teoria das cordas com dimensões abaixo desse tamanho.
Contudo, com uma dimensão oculta suficientemente grande, o vácuo poderia sobreviver durante muitos milhares de milhões de anos. Isto significa que as teorias que produzem bolhas de nada poderiam corresponder plausivelmente ao nosso universo. Se assim for, Aristóteles pode ter estado mais certo do que imaginava. A natureza pode não ser uma grande fã do vácuo. No prazo extremamente longo, pode não preferir absolutamente nada.
