O maior erro de Einstein pode Finalmente ter sido Corrigido

Ilustração de galáxias dobrando o tecido do espaço-tempo (verde) e o efeito suave da energia escura (roxo), que domina os efeitos da gravidade (Créditos: © NASA / JPL-Caltech)

Há um problema fundamental na física. Um único número, chamado constante cosmológica, une o mundo microscópico da mecânica quântica e o mundo macroscópico da teoria da relatividade geral de Einstein. Mas nenhuma teoria pode concordar com seu valor.
De fato, existe uma discrepância tão grande entre o valor observado dessa constante e o que a teoria prevê que é amplamente considerada a pior previsão da história da física. Resolver a discrepância pode ser o objetivo mais importante da física teórica neste século.
Lucas Lombriser, professor assistente de física teórica da Universidade de Genebra, na Suíça, introduziu uma nova maneira de avaliar as equações de gravidade de Albert Einstein para encontrar um valor para a constante cosmológica que se aproxime do valor observado. Ele publicou seu método on-line na edição de 10 de outubro da revista Physics Letters B.


Como o maior erro de Einstein se tornou a energia escura

A história da constante cosmológica começou mais de um século atrás, quando Einstein apresentou um conjunto de equações, agora conhecidas como equações do campo de Einstein, que se tornaram o quadro de sua teoria da relatividade geral. As equações explicam como a matéria e a energia distorcem o tecido do espaço e do tempo para criar a força da gravidade. Na época, Einstein e astrônomos concordavam que o Universo era fixo em tamanho e que o espaço geral entre galáxias não mudava. No entanto, quando Einstein aplicou a relatividade geral ao Universo como um todo, sua teoria previu um universo instável que iria expandir ou contrair. Para forçar o Universo a ser estático, Einstein introduziu a constante cosmológica.
Quase uma década depois, outro físico, Edwin Hubble, descobriu que nosso universo não é estático, mas está em expansão. A luz das galáxias distantes mostrava que todos estavam se afastando. Essa revelação convenceu Einstein a abandonar a constante cosmológica de suas equações de campo, pois não era mais necessário já que o Universo estava expansão. Segundo a tradição da física, mais tarde Einstein confessou que sua introdução da constante cosmológica talvez tenha sido seu maior erro.
Em 1998, observações de supernovas distantes mostraram que o Universo não estava apenas se expandindo, mas a expansão estava acelerando. As galáxias estavam se acelerando, como se alguma força desconhecida estivesse superando a gravidade e afastando essas galáxias. Os físicos chamaram esse fenômeno enigmático de energia escura, pois sua verdadeira natureza era um mistério e continua sendo.
Numa reviravolta irônica, os físicos mais uma vez reintroduziram a constante cosmológica nas equações de campo de Einstein para explicar a energia escura. No atual modelo padrão de cosmologia, conhecido como ΛCDM (Lambda CDM), a constante cosmológica é indistinguível da energia escura. Os astrônomos estimaram seu valor com base em observações de supernovas distantes e flutuações no fundo cósmico de microondas. Embora o valor seja absurdamente pequeno (da ordem de 10-52 por metro quadrado), na escala do Universo, é significativo o suficiente para explicar a expansão acelerada do espaço.
"Atualmente, a constante cosmológica [ou energia escura] constitui cerca de 70% do conteúdo de energia em nosso universo, que é o que podemos deduzir da expansão acelerada observada pela qual nosso universo está passando atualmente. No entanto, essa constante não é entendida", disse Lombriser. "As tentativas de explicar fracassaram e parece haver algo fundamental que estamos perdendo na maneira como entendemos o Cosmos. Desvendar esse quebra-cabeça é uma das principais áreas de pesquisa da física moderna. Prevê-se geralmente que resolver o problema pode nos levar a uma compreensão mais fundamental da física".


A pior previsão teórica da história da física

Pensa-se que a constante cosmológica represente o que os físicos chamam de "energia do vácuo". A teoria dos campos quânticos afirma que, mesmo em um vácuo completamente vazio do espaço, partículas virtuais entram e saem da existência e criam energia - uma ideia aparentemente absurda, mas que foi observada experimentalmente. O problema surge quando os físicos tentam calcular sua contribuição para a constante cosmológica. Seu resultado difere das observações por um fator espantoso de 10121 (10 seguidos por 120 zeros), a maior discrepância entre teoria e experimento em toda a física.
Essa disparidade levou alguns físicos a duvidar das equações originais da gravidade de Einstein. Alguns até sugeriram modelos alternativos de gravidade. No entanto, mais evidências de ondas gravitacionais detectadas pelo Observatório de Ondas Gravitacionais com Interferômetro a Laser (LIGO) apenas fortaleceram a relatividade geral e descartaram muitas dessas teorias alternativas. É por isso que, em vez de repensar a gravidade, Lombriser adotou uma abordagem diferente para resolver esse quebra-cabeça cósmico.
"O mecanismo que proponho não modifica as equações de campo de Einstein", afirmou Lombriser. Em vez disso, "ele adiciona uma equação adicional às equações de campo de Einstein'.
A constante gravitacional, usada pela primeira vez nas leis da gravidade de Isaac Newton e agora uma parte essencial das equações de campo de Einstein, descreve a magnitude da força gravitacional entre os objetos. É considerada uma das constantes fundamentais da física, eternamente inalterada desde o início do Universo. Lombriser assumiu dramaticamente que essa constante pode mudar.
Na modificação da relatividade geral de Lombriser, a constante gravitacional permanece a mesma em nosso universo observável, mas pode variar além dele. Ele sugere um cenário multiverso em que pode haver trechos do Universo invisíveis para nós que possuem valores diferentes para as constantes fundamentais.
Essa variação da gravidade deu a Lombriser uma equação adicional que relaciona a constante cosmológica à soma média da matéria no espaço-tempo. Depois de contabilizar a massa estimada de todas as galáxias, estrelas e matéria escura do Universo, ele poderia resolver essa nova equação para obter um novo valor para a constante cosmológica - uma que concorde intimamente com as observações.
Usando um novo parâmetro, ΩΛ (ômega lambda), que expressa a fração do Universo feito de energia escura, ele calculou que o Universo é composto por cerca de 74% de energia escura, enquanto as observações estimam 68,5% - uma tremenda melhoria, para dizer o mínimo, em relação à enorme disparidade encontrada anteriormente.
Embora a estrutura de Lombriser possa resolver o problema da constante cosmológica, atualmente não há como testá-la. Porém, no futuro, se experimentos de outras teorias validarem suas equações, isso poderá significar um grande salto em nossa compreensão da energia escura e fornecer uma ferramenta para resolver outros mistérios cósmicos.

Fonte: Space.Com