Energia Escura Pode Ser Incompatível Com Teoria De Cordas - Mistérios do Universo

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17 de agosto de 2018

Energia Escura Pode Ser Incompatível Com Teoria De Cordas

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Um novo artigo controverso argumenta que os universos com perfis de energia escura como o nosso não existem na “paisagem” dos universos permitidos pela teoria das cordas.

A teoria das cordas permite uma “paisagem” de universos possíveis, cercada por um “pântano” de universos logicamente inconsistentes. Em todos os universos simples e viçosos que os físicos estudaram, a densidade da energia escura está diminuindo ou tem um valor negativo estável, ao contrário do nosso universo, que parece ter um valor positivo estável.

Em 25 de junho, Timm Wrase acordou em Viena e, sonolento, passou por um repositório on-line de novos trabalhos de física. Um título o surpreendeu em plena consciência.

O artigo, do proeminente teórico das cordas Cumrun Vafa, da Universidade de Harvard, e colaboradores, conjeturou uma fórmula simples que dita que tipos de universos podem existir e quais são proibidos, de acordo com a teoria das cordas. A principal candidata a uma “teoria de tudo”, tecendo a força da gravidade junto com a física quântica, a teoria das cordas define toda a matéria e forças como vibrações de minúsculos filamentos de energia. A teoria permite cerca de 10 500 soluções diferentes: uma “paisagem” vasta e variada de universos possíveis. Teóricos de cordas como Wrase e Vafa lutaram por anos para colocar nosso universo particular em algum lugar nesta paisagem de possibilidades.

Mas agora, Vafa e seus colegas estavam conjecturando que na paisagem de cordas, universos como o nosso não existem. Se a conjetura estiver correta, Wrase e outros teóricos das cordas perceberam imediatamente, o cosmos deve ser profundamente diferente do que se supunha ou a teoria das cordas deveria estar errada.

Depois de deixar o seu kindergartner naquela manhã, Wrase foi trabalhar na Universidade de Tecnologia de Viena, onde seus colegas também estavam discutindo sobre o artigo. Naquele mesmo dia, em Okinawa, no Japão, Vafa apresentou a conjectura na conferência Strings 2018, transmitida por físicos de todo o mundo. Debate começou dentro e fora do site. “Houve pessoas que imediatamente disseram: 'Isso tem que estar errado', outras pessoas que disseram 'Ah, eu venho dizendo isso há anos' disse Wrase. Havia confusão, ele acrescentou, mas “também, é claro, enorme excitação. Porque se esta conjectura estiver certa, então existem muitas implicações para a cosmologia. ”

Os pesquisadores começaram a trabalhar tentando testar a conjectura e explorar suas implicações. Wrase já escreveu dois artigos, incluindo um que pode levar a um refinamento da conjectura, e ambos principalmente durante as férias com sua família. "Isso é tão excitante. Eu tenho que trabalhar e estudar isso ainda mais", disse ele.

A fórmula conjeturada - apresentada no artigo de 25 de junho por Vafa, Georges Obied, Hirosi Ooguri e Lev Spodyneiko e mais explorada em um segundo artigo lançado dois dias depois por Vafa, Obied, Prateek Agrawal e Paul Steinhardt - diz simplesmente que, como universo se expande, a densidade de energia no vácuo do espaço vazio deve diminuir mais rápido do que uma determinada taxa. A regra parece ser verdadeira em todos os modelos baseados em teoria simples de cadeias de universos. Mas viola duas crenças generalizadas sobre o universo atual: considera impossível tanto a imagem aceita da expansão atual do universo como o modelo principal de seu nascimento explosivo.

Energia Escura em Questão

Desde 1998, observações de telescópios indicaram que o cosmos está se expandindo cada vez mais rápido o tempo todo, implicando que o vácuo do espaço vazio deve ser infundido com uma dose de “energia escura” gravitacionalmente repulsiva.

Além disso, parece que a quantidade de energia escura infundida no espaço vazio permanece constante ao longo do tempo (como qualquer um pode dizer).

Mas a nova conjectura afirma que a energia do vácuo do universo deve estar diminuindo.

Cumrun Vafa, um proeminente teórico de cordas da Universidade de Harvard, mapeia o “pântano” proibido de universos impossíveis há 13 anos.

Vafa e colegas afirmam que universos com quantidades estáveis, constantes e positivas de energia a vácuo, conhecidos como “universos de de Sitter”, não são possíveis. Os teóricos das cordas têm lutado poderosamente desde a descoberta da energia escura em 1998 para construir modelos convincentes e rígidos de universos estáveis ​​de Sitter. Mas se Vafa estiver certo, tais esforços estão fadados a afundar em inconsistência lógica; Os universos de Sitter não estão na paisagem, mas no "Pântano". "As coisas que parecem consistentes, mas no final não são consistentes, eu as chamo de pântano", explicou ele recentemente. “Eles quase parecem paisagem; você pode ser enganado por eles. Você acha que deveria ser capaz de construí-los, mas não pode.

De acordo com essa “conjectura do lagarto de Sitter”, em todos os universos lógicos possíveis, a energia do vácuo deve estar caindo, seu valor é como uma bola rolando colina abaixo, ou deve ter obtido um valor negativo estável. (Os chamados universos "anti-de Sitter", com doses estáveis ​​e negativas de energia de vácuo, são facilmente construídos na teoria das cordas.)

A conjectura, se verdadeira, significaria que a densidade da energia escura em nosso universo não pode ser constante, mas deve tomar uma forma chamada "quintessência" - uma fonte de energia que gradualmente diminuirá ao longo de dezenas de bilhões de anos. Diversas experiências de telescópio estão em andamento agora para investigar com mais precisão se o universo está se expandindo com uma taxa constante de aceleração, o que significaria que, à medida que um novo espaço é criado, uma quantidade proporcional de nova energia escura surge ou se a aceleração cósmica está mudando gradualmente, como nos modelos de quintessência. Uma descoberta da quintessência revolucionaria a física e a cosmologia fundamentais, inclusive reescrevendo a história e o futuro do cosmos. Em vez de se despedaçar em um Big Rip, um universo quintessente iria gradualmente desacelerar, e na maioria dos modelos, acabaria por parar de se expandir e contrair em um Big Crunch ou Big Bounce.

Big Rip, Big Crunch e Big Freeze - os três fins possíveis para nosso Universo

Paul Steinhardt, cosmólogo da Universidade de Princeton e um dos coautores de Vafa, disse que nos próximos anos, “todos os olhos devem estar em” medições feitas pelos telescópios Dark Energy Survey, WFIRST e Euclid se a densidade da energia escura é mudando. "Se você descobrir que não é consistente com a quintessência", disse Steinhardt, "significa que a ideia do pântano está errada, ou a teoria das cordas está errada, ou ambas estão erradas ou - algo está errado". 

Inflação sob cerco

Não menos dramaticamente, a nova conjectura do pântano também lança dúvidas sobre a amplamente conhecida história do nascimento do universo: a teoria do Big Bang conhecida como inflação cósmica. De acordo com essa teoria, uma minúscula partícula de espaço-tempo infundida de energia foi rapidamente inflada para formar o universo macroscópico em que vivemos. A teoria foi concebida para explicar, em parte, como o universo se tornou tão grande, suave e plano.

"Talvez a teoria das cordas não descreva o mundo. [Talvez] a energia escura tenha falsificado isso."  
Matthew Kleban

Mas o hipotético “campo inflaton” de energia que supostamente impulsionou a inflação cósmica não combina com a fórmula de Vafa. Para cumprir a fórmula, a energia do campo de inflaton provavelmente precisaria diminuir muito rapidamente para formar um universo suave e plano o suficiente, ele e outros pesquisadores explicaram. Assim, a conjectura desfavorece muitos modelos populares de inflação cósmica. Nos próximos anos, telescópios como o Observatório Simons procurarão assinaturas definitivas de inflação cósmica, testando-a contra idéias rivais.

Enquanto isso, os teóricos das cordas, que normalmente formam uma frente unida, discordarão sobre a conjetura. Eva Silverstein, professora de física da Universidade de Stanford e líder no esforço para construir modelos teóricos da inflação, acha que é muito provável que seja falsa. O mesmo acontece com seu marido, o professor de Stanford Shamit Kachru; ele é o primeiro "K" em KKLT, um famoso trabalho de 2003 (conhecido pelas iniciais de seus autores) que sugeria um conjunto de ingredientes fibrosos que poderiam ser usados ​​para construir universos de Sitter. A fórmula de Vafa diz que as construções de Silverstein e Kachru não funcionarão. "Estamos cercados por essas conjecturas em nossa família", brincou Silverstein. Mas, em sua opinião, os modelos de aceleração de expansão não são mais desfavorecidos agora, à luz dos novos documentos, do que antes. "Eles essencialmente apenas especulam que essas coisas não existem, citando análises muito limitadas e, em alguns casos, altamente duvidosas", disse ela.

Matthew Kleban, um teórico de cordas e cosmólogo da Universidade de Nova York, também trabalha com modelos rígidos de inflação. Ele enfatiza que a nova conjectura do pantanal é altamente especulativa e um exemplo de "raciocínio do poste de luz", já que grande parte da paisagem das cordas ainda precisa ser explorada. E, no entanto, ele reconhece que, com base nas evidências existentes, a conjectura poderia ser verdadeira. "Pode ser verdade sobre a teoria das cordas, e então talvez a teoria das cordas não descreva o mundo", disse Kleban. “[Talvez] a energia escura tenha falsificado isso. Isso obviamente seria muito interessante ”.

Mapeando o Pântano

Se a conjectura de Sitter e as experiências futuras realmente têm o poder de falsificar a teoria das cordas, ainda não se sabe. A descoberta, no início dos anos 2000, de que a teoria das cordas tem algo como 10.500 soluções matou o sonho de que pudesse prever de forma única e inevitável as propriedades de nosso universo único. A teoria parecia apoiar quase todas as observações e tornou-se muito difícil testar ou refutar experimentalmente.

Em 2005, a Vafa e uma rede de colaboradores começaram a pensar em como reduzir as possibilidades mapeando características fundamentais da natureza que absolutamente têm que ser verdadeiras. Por exemplo, sua "conjectura da gravidade fraca" afirma que a gravidade deve ser sempre a força mais fraca em qualquer universo lógico. Universos imaginados que não satisfazem tais exigências são jogados da paisagem para o pântano. Muitas dessas conjecturas do pântano se mantiveram famosamente contra ataques, e algumas estão agora “em uma base teórica muito sólida”, disse Hirosi Ooguri, um físico teórico do Instituto de Tecnologia da Califórnia e um dos primeiros colaboradores da Vafa. A conjectura da gravidade fraca, por exemplo, acumulou tanta evidência que agora é suspeito de realizar de forma geral, independentemente de a teoria das cordas ser a teoria correta da gravidade quântica.

A intuição sobre onde a paisagem termina e o pântano começa deriva de décadas de esforço para construir modelos rígidos de universos. O principal desafio desse projeto é que a teoria das cordas prevê a existência de 10 dimensões espaço-temporais - muito mais do que é aparente em nosso universo 4-D. Os teóricos das cordas afirmam que as seis dimensões espaciais extras devem ser pequenas - enroladas firmemente em todos os pontos. A paisagem brota de todas as maneiras diferentes de configurar essas dimensões extras. Mas, embora as possibilidades sejam enormes, pesquisadores como a Vafa descobriram que princípios gerais emergem. Por exemplo, as dimensões recurvadas normalmente querem contrair gravitacionalmente para dentro, enquanto campos como campos eletromagnéticos tendem a afastar tudo. E em configurações simples e estáveis, esses efeitos se equilibram com a energia negativa do vácuo, produzindo universos anti-de Sitter. Tornar a energia do vácuo positiva é difícil. "Normalmente, na física, temos exemplos simples de fenômenos gerais", disse Vafa. "De Sitter não é uma coisa dessas."

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O artigo KKLT, de Kachru, Renata Kallosh, Andrei Linde e Sandip Trivedi, sugeriu armadilhas como “fluxos”, “instantons” e “anti-D-branas” que poderiam servir como ferramentas para configurar uma energia de vácuo constante e positiva. No entanto, essas construções são complicadas e, ao longo dos anos, possíveis instabilidades foram identificadas. Embora Kachru tenha dito que não tem "sérias dúvidas", muitos pesquisadores suspeitam que o cenário KKLT não produz universos estáveis ​​de de Sitter, afinal.

Vafa acha que uma busca conjunta por modelos universais definitivamente estáveis ​​de Sitter está muito atrasada. Sua conjectura é, acima de tudo, destinada a pressionar a questão. Em sua opinião, os teóricos das cordas não se sentiram suficientemente motivados para descobrir se a teoria das cordas é realmente capaz de descrever nosso mundo, em vez de tomar a atitude de que, como a paisagem das cordas é enorme, deve haver um lugar para nós, mesmo que ninguém saiba onde é. “A maior parte da comunidade na teoria das cordas ainda se posiciona do lado das construções de de Sitter [existentes]”, disse ele, “porque a crença é: 'Veja, vivemos em um universo de de Sitter com energia positiva; portanto, é melhor termos exemplos desse tipo '”.

Sua conjectura despertou a comunidade para a ação, com pesquisadores como Wrase procurando por contraexemplos estáveis ​​de Sitter, enquanto outros brincam com modelos de cordas pouco explorados de universos quintessentes. "Eu estaria igualmente interessado em saber se a conjectura é verdadeira ou falsa", disse Vafa. “Levantar a questão é o que deveríamos estar fazendo. E encontrar provas a favor ou contra isso - é assim que progredimos ”.
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