Energia de vácuo é uma energia de fundo subjacente que existe no espaço em todo o universo. A energia de vácuo é um caso especial da energia de ponto zero que se relaciona com o vácuo quântico.Scientific American. 1997. FOLLOW-UP: What is the 'zero-point energy' (or 'vacuum energy') in quantum physics? Is it really possible that we could harness this energy? – Scientific American. [ONLINE] Available at: http://www.scientificamerican.com/article/follow-up-what-is-the-zer/. [Accessed 27 September 2016].
Os efeitos da energia de vácuo podem ser observados experimentalmente em vários fenômenos, como emissão espontânea, o efeito Casimir e o deslocamento de Lamb, e acredita-se que influenciem o comportamento do Universo em escalas cosmológicas. Usando o limite superior da constante cosmológica, a energia de vácuo do espaço livre foi estimada em 10−9 joules (10−2 ergs), ou ~5 GeV por metro cúbico.Sean Carroll, Senior Research Associate – Physics, California Institute of Technology, June 22, 2006. C-SPAN broadcast of Cosmology at Yearly Kos Science Panel, Part 1. No entanto, na eletrodinâmica quântica, a consistência com o princípio da covariância de Lorentz e com a magnitude da constante de Planck sugere um valor muito maior de 10113 joules por metro cúbico. Essa enorme discrepância é conhecida como o problema da constante cosmológica ou, coloquialmente, a "catástrofe do vácuo".
Origem A teoria quântica de campos afirma que todos os campos fundamentais, como o campo eletromagnético, devem ser quantizados em cada ponto do espaço. Um campo na física pode ser imaginado como se o espaço fosse preenchido com bolas e molas interconectadas vibrando, e a intensidade do campo é como o deslocamento de uma bola de sua posição de repouso. A teoria exige que "vibrações" ou, mais precisamente, mudanças na intensidade de tal campo se propaguem de acordo com a equação de onda apropriada para o campo específico em questão. A segunda quantização da teoria quântica de campos exige que cada combinação de bola-mola seja quantizada, ou seja, que a intensidade do campo seja quantizada em cada ponto do espaço. Canonicamente, se o campo em cada ponto do espaço é um oscilador harmônico simples, sua quantização coloca um oscilador harmônico quântico em cada ponto. Excitações do campo correspondem às partículas elementares da física de partículas. Assim, de acordo com a teoria, mesmo o vácuo tem uma estrutura vastamente complexa e todos os cálculos da teoria quântica de campos devem ser feitos em relação a este modelo do vácuo.
A teoria considera que o vácuo tem implicitamente as mesmas propriedades que uma partícula, como spin ou polarização no caso da luz, energia, e assim por diante. De acordo com a teoria, a maioria dessas propriedades se cancela em média, deixando o vácuo vazio no sentido literal da palavra. Uma exceção importante, no entanto, é a energia de vácuo ou o valor esperado do vácuo da energia. A quantização de um oscilador harmônico simples requer que a energia mais baixa possível, ou energia de ponto zero de tal oscilador, seja
Somando todos os osciladores possíveis em todos os pontos do espaço obtém-se uma quantidade infinita. Para remover essa infinidade, pode-se argumentar que apenas diferenças de energia são fisicamente mensuráveis, assim como o conceito de energia potencial tem sido tratado na mecânica clássica há séculos. Este argumento é a base da teoria da renormalização. Em todos os cálculos práticos, é assim que a infinidade é tratada.
A energia de vácuo também pode ser pensada em termos de partículas virtuais (também conhecidas como flutuações de vácuo) que são criadas e destruídas a partir do vácuo. Essas partículas são sempre criadas a partir do vácuo em pares partícula–antipartícula, que na maioria dos casos se aniquilam e desaparecem pouco depois. No entanto, essas partículas e antipartículas podem interagir com outras antes de desaparecer, um processo que pode ser mapeado usando diagramas de Feynman. Observe que este método de calcular a energia de vácuo é matematicamente equivalente a ter um oscilador harmônico quântico em cada ponto e, portanto, sofre os mesmos problemas de renormalização.
Contribuições adicionais para a energia de vácuo vêm da quebra espontânea de simetria na teoria quântica de campos.
Implicações miniaturadaimagem|upright=1|O efeito Casimir é uma força física que afeta objetos de tamanho macro e surge da energia de vácuo, que são oscilações quantizadas no campo eletromagnético que permeia cada fresta microscópica do Universo, dando a esse campo uma energia diferente de zero. Quando duas placas planas condutoras do mesmo material estão a menos de cerca de 1000 nanômetros de distância (cerca de duas vezes a largura de uma bactéria comum), elas começam a formar uma cavidade eletromagnética que exclui componentes de comprimento de onda maiores da energia de vácuo. Isso reduz a energia entre as placas, criando um desequilíbrio de pressão que as empurra uma contra a outra. Aqui, a lacuna permite apenas que excitações com comprimentos de onda não maiores que os mostrados em verde apareçam entre as placas, excluindo os comprimentos de onda amarelo, laranja e vermelho. A energia de vácuo tem uma série de consequências. Em 1948, os físicos Hendrik B. G. Casimir e Dirk Polder previram a existência de uma pequena força atrativa entre placas metálicas próximas devido a ressonâncias na energia de vácuo no espaço entre elas. Isso é agora conhecido como efeito Casimir e desde então foi extensivamente verificado experimentalmente. Acredita-se, portanto, que a energia de vácuo seja "real" no mesmo sentido em que objetos conceituais mais familiares, como elétrons, campos magnéticos, etc., são reais. No entanto, explicações alternativas para o efeito Casimir foram propostas desde então.R. L. Jaffe: The Casimir Effect and the Quantum Vacuum. In: Physical Review D. Band 72, 2005 .
Outras previsões são mais difíceis de verificar. Flutuações de vácuo são sempre criadas como pares partícula-antipartícula. A criação dessas partículas virtuais perto do horizonte de eventos de um buraco negro foi hipotetizada pelo físico Stephen Hawking como um mecanismo para a eventual "evaporação" de buracos negros. Se um dos pares for puxado para o buraco negro antes disso, então a outra partícula se torna "real" e energia/massa é essencialmente irradiada para o espaço a partir do buraco negro. Essa perda é cumulativa e pode resultar no desaparecimento do buraco negro ao longo do tempo. O tempo necessário depende da massa do buraco negro (as equações indicam que quanto menor o buraco negro, mais rapidamente ele evapora), mas pode ser da ordem de 1060 anos para grandes buracos negros de massa solar.
A energia de vácuo também tem consequências importantes para a cosmologia física. A relatividade geral prevê que a energia é equivalente à massa e, portanto, se a energia de vácuo está "realmente lá", ela deve exercer uma força gravitacional. Essencialmente, espera-se que uma energia de vácuo não nula contribua para a constante cosmológica, que afeta a expansão do universo.
Intensidade de campo da energia de vácuo A intensidade de campo da energia de vácuo é um conceito proposto em um estudo teórico que explora a natureza do vácuo e sua relação com as interações gravitacionais. O estudo derivou uma estrutura matemática que usa a intensidade de campo da energia de vácuo como um indicador da resistência do volume (espaço-tempo) à curvatura localizada. Ilustra a associação da intensidade de campo da energia de vácuo com a curvatura do fundo, onde esse conceito desafia o entendimento tradicional da gravidade e sugere que a constante gravitacional, G, pode não ser uma constante universal, mas sim um parâmetro dependente da intensidade de campo da energia de vácuo.MDPI, Physical Science Forum, 2023, 7(1), p. 50.
A determinação do valor de G tem sido um tópico de extensa pesquisa, com inúmeros experimentos conduzidos ao longo dos anos na tentativa de medir seu valor preciso. Esses experimentos, frequentemente empregando técnicas de alta precisão, visaram fornecer medições precisas de G e estabelecer um consenso sobre seu valor exato. No entanto, os resultados desses experimentos mostraram inconsistências significativas, tornando difícil chegar a uma conclusão definitiva sobre o valor de G. Essa falta de consenso tem intrigado os cientistas e pedido explicações alternativas.National Science Review, 2020, 7, pp. 1803–1817.
Para testar as previsões teóricas sobre a intensidade de campo da energia de vácuo, condições experimentais específicas envolvendo a posição da lua são recomendadas no estudo teórico. Essas condições visam alcançar resultados consistentes em medições de precisão de G. O objetivo final de tais experimentos é falsificar ou fornecer confirmações à estrutura teórica proposta. A importância de explorar a intensidade de campo da energia de vácuo reside em seu potencial para revolucionar nossa compreensão da gravidade e suas interações.
História Em 1934, Georges Lemaître usou uma equação de estado incomum de fluido perfeito para interpretar a constante cosmológica como devida à energia de vácuo. Em 1948, o efeito Casimir forneceu um método experimental para verificar a existência da energia de vácuo; em 1955, no entanto, Evgeny Lifshitz ofereceu uma origem diferente para o efeito Casimir. Em 1957, Lee e Yang provaram os conceitos de simetria quebrada e violação de paridade, pelos quais ganharam o Prêmio Nobel. Em 1973, Edward Tryon propôs a hipótese do universo de energia zero: que o Universo pode ser uma flutuação quântica de vácuo em grande escala, onde a massa–energia positiva é equilibrada pela energia potencial gravitacional negativa. Durante a década de 1980, houve muitas tentativas de relacionar os campos que geram a energia de vácuo a campos específicos que foram previstos por tentativas de uma Teoria da Grande Unificação e de usar observações do Universo para confirmar uma ou outra versão. No entanto, a natureza exata das partículas (ou campos) que geram energia de vácuo, com uma densidade como a exigida pela teoria da inflação, permanece um mistério.
Energia de vácuo na ficção O romance de Arthur C. Clarke, The Songs of Distant Earth, apresenta uma nave espacial movida por um "motor quântico" baseado em aspectos dessa teoria. Na franquia de televisão/filme de ficção científica Stargate, um Módulo de Ponto Zero (ZPM) é uma fonte de energia que extrai energia de ponto zero de um micro universo paralelo.Rising (Stargate Atlantis). O livro Star Trek: Deep Space Nine Technical Manual descreve o princípio de funcionamento do chamado torpedo quântico. Nesta arma fictícia, uma reação de antimatéria é usada para criar uma membrana multidimensional no vácuo que libera, em sua decomposição, mais energia do que a necessária para produzi-la. A energia que falta é removida do vácuo. Normalmente, cerca de duas vezes mais energia é liberada na explosão do que corresponderia à aniquilação inicial de matéria e antimatéria. No jogo eletrônico Half-Life 2, o item geralmente conhecido como "gravity gun" é referido tanto como "manipulador de campo de energia de ponto zero" quanto como "manipulador de campo de energia de ponto zero".
Ver também Radiação cósmica de fundo em micro-ondas Energia escura Falso vácuo Ordenação normal Flutuação quântica Efeito Sunyaev–Zeldovich Estado de vácuo
Referências
Artigos e referências externas Cópia em PDF gratuita de The Structured Vacuum – thinking about nothing por Johann Rafelski e Berndt Muller (1985); . Saunders, S., & Brown, H. R. (1991). The Philosophy of Vacuum. Oxford [England]: Clarendon Press. Poincaré Seminar, Duplantier, B., & Rivasseau, V. (2003). "Poincaré Seminar 2002: vacuum energy-renormalization". Progress in mathematical physics, v. 30. Basel: Birkhäuser Verlag. Futamase & Yoshida Possible measurement of vacuum energy.