Problema constante cosmológico - Cosmological constant problem

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Dados simulados do detector de partículas CMS do Large Hadron Collider representando um bóson de Higgs produzido pela colisão de prótons decaindo em jatos de hádrons e elétrons
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Em cosmologia , o problema da constante cosmológica ou catástrofe do vácuo é a discordância entre os valores observados da densidade de energia do vácuo (o pequeno valor da constante cosmológica ) e o grande valor teórico da energia do ponto zero sugerido pela teoria quântica de campos .

Dependendo do corte de energia de Planck e outros fatores, a discrepância chega a 120 ordens de magnitude, um estado de coisas descrito pelos físicos como "a maior discrepância entre teoria e experimento em toda a ciência" e "a pior previsão teórica no história da física. "

História

O problema básico de uma energia do vácuo produzindo um efeito gravitacional foi identificado já em 1916 por Walther Nernst . Ele previu que o valor deveria ser zero ou muito pequeno, de modo que o problema teórico já era aparente e começou a ser discutido ativamente na década de 1970.

Com o desenvolvimento da cosmologia inflacionária na década de 1980, o problema se tornou muito mais importante: como a inflação cósmica é impulsionada pela energia do vácuo, as diferenças na modelagem da energia do vácuo levam a enormes diferenças nas cosmologias resultantes - se a energia do vácuo fosse exatamente zero, como era antes acreditava-se, então a expansão do universo não aceleraria conforme observado, pelo menos não sob os pressupostos do modelo Λ-CDM padrão .

Segundo a cosmologista Niayesh Afshordi, toda a densidade de energia associada às flutuações do ponto zero do campo magnético de Pauli poderia ser capaz de curvar o Universo "tanto que ele não caberia na órbita lunar, muito menos no sistema solar ou o resto da Galáxia. "

Descrição quântica

Após o desenvolvimento da teoria quântica de campos na década de 1940, o primeiro a abordar as contribuições das flutuações quânticas para a constante cosmológica foi Zel'dovich (1967, 1968). Na mecânica quântica, o próprio vácuo deve experimentar flutuações quânticas. Na relatividade geral, essas flutuações quânticas constituem energia que aumentaria a constante cosmológica. No entanto, esta densidade de energia do vácuo calculada é muitas ordens de magnitude maior do que a constante cosmológica observada. As estimativas originais do grau de incompatibilidade chegavam a 120 ordens de magnitude; no entanto, pesquisas modernas sugerem que, quando a invariância de Lorentz é levada em consideração, o grau de incompatibilidade fica próximo a 60 ordens de magnitude.

A energia do vácuo calculada é uma contribuição positiva, em vez de negativa, para a constante cosmológica porque o vácuo existente tem pressão mecânica quântica negativa e, na relatividade geral, o efeito gravitacional da pressão negativa é uma espécie de repulsão. (A pressão aqui é definida como o fluxo do momento mecânico quântico através de uma superfície.) Grosso modo, a energia do vácuo é calculada somando todos os campos mecânicos quânticos conhecidos, levando em consideração as interações e autointerações entre os estados fundamentais e, em seguida, remover todas as interações abaixo de um comprimento de onda de "corte" mínimo para refletir que as teorias existentes se rompem e podem não ser aplicáveis ​​em torno da escala de corte. Como a energia depende de como os campos interagem no estado atual do vácuo, a contribuição da energia do vácuo teria sido diferente no início do universo; por exemplo, a energia do vácuo teria sido significativamente diferente antes da quebra da simetria eletrofraca durante a época do quark .

Renormalização

A energia do vácuo na teoria quântica de campos pode ser definida para qualquer valor por renormalização. Essa visão trata a constante cosmológica simplesmente como outra constante física fundamental não prevista ou explicada pela teoria. Essa constante de renormalização deve ser escolhida com muita precisão por causa da discrepância de muitas ordens de magnitude entre a teoria e a observação, e muitos teóricos consideram essa constante ad-hoc equivalente a ignorar o problema.

Soluções propostas

Alguns físicos propõem uma solução antrópica e argumentam que vivemos em uma região de um vasto multiverso que possui diferentes regiões com diferentes energias do vácuo. Esses argumentos antrópicos postulam que apenas regiões de pequena energia do vácuo, como aquela em que vivemos, são razoavelmente capazes de sustentar vida inteligente. Esses argumentos existem de alguma forma desde pelo menos 1981. Por volta de 1987, Steven Weinberg estimou que a energia de vácuo máxima permitida para a formação de estruturas gravitacionalmente ligadas é problemática, mesmo dados os dados observacionais disponíveis em 1987, e concluiu que a explicação antrópica aparece falhar; no entanto, estimativas mais recentes de Weinberg e outros, com base em outras considerações, encontram o limite para ser mais próximo do nível real observado de energia escura. Argumentos antrópicos gradualmente ganharam credibilidade entre muitos físicos após a descoberta da energia escura e o desenvolvimento do cenário da teoria teórica das cordas , mas ainda são ridicularizados por uma parte cética substancial da comunidade científica como sendo problemáticos de verificar. Os proponentes das soluções antrópicas estão divididos em várias questões técnicas sobre como calcular a proporção de regiões do universo com várias constantes de energia escura.

Outras propostas envolvem modificar a gravidade para divergir da relatividade geral . Essas propostas enfrentam o obstáculo de que os resultados das observações e experimentos até agora tendem a ser extremamente consistentes com a relatividade geral e o modelo ΛCDM , e inconsistentes com as modificações propostas até agora. Além disso, algumas das propostas são indiscutivelmente incompletas, porque resolvem o "novo" problema da constante cosmológica ao propor que a constante cosmológica real é exatamente zero em vez de um número minúsculo, mas não conseguem resolver o "velho" problema da constante cosmológica de por que flutuações quânticas parecem falhar em produzir energia de vácuo substancial em primeiro lugar. No entanto, muitos físicos argumentam que, devido em parte à falta de melhores alternativas, as propostas para modificar a gravidade devem ser consideradas "uma das rotas mais promissoras para enfrentar" o problema da constante cosmológica.

Bill Unruh e colaboradores argumentaram que quando a densidade de energia do vácuo quântico é modelada com mais precisão como um campo quântico flutuante, o problema da constante cosmológica não surge. Indo em uma direção diferente, George FR Ellis e outros sugeriram que na gravidade unimodular , as contribuições problemáticas simplesmente não gravitam.

Outro argumento, devido a Stanley Brodsky e Robert Shrock, é que na quantização da frente de luz , o vácuo da teoria quântica de campos torna-se essencialmente trivial. Na ausência de valores de expectativa de vácuo, não há contribuição de QED , interações fracas e QCD para a constante cosmológica. Portanto, é previsto que seja zero em um espaço-tempo plano .

Em 2018, um mecanismo de cancelamento de Λ foi proposto através do uso de um potencial de quebra de simetria em um formalismo Lagrangiano no qual a matéria mostra uma pressão de não desaparecimento. O modelo assume que a matéria padrão fornece uma pressão que contrabalança a ação devido à constante cosmológica. Luongo e Muccino mostraram que este mecanismo permite pegar a energia do vácuo como prevê a teoria quântica do campo , mas removendo a enorme magnitude por meio de um termo de contrapeso devido aos bárions e matéria escura fria apenas.

Veja também

Referências

links externos