Gregory Ryskin sobre a energia do vácuo

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Embora não convencionais, as ideias de Gregory Ryskin sobre a energia do vácuo parecem interessantes para mim, então o convidei a compartilhá-las com você neste guest post.

A jornada da física de Ryskin começou com a dinâmica dos fluidos, primeiro na Rússia, depois nos EUA, na Caltech. Mais tarde, o fluxo de fluidos complexos, como soluções poliméricas ou cristais líquidos. Em seguida, o movimento browniano e os processos de Markov. Em 2000, interessou-se por geologia e geofísica, particularmente pelas causas das extinções em massa e pela origem do campo magnético da Terra. Sua pesquisa atual é focada em cosmologia. Sua residência acadêmica é a Northwestern University, Departamento de Engenharia Química e Biológica.
O texto abaixo é de Gregory.

O problema da energia do vácuo surge porque os campos quânticos flutuam mesmo no zero absoluto de
temperatura, devido ao princípio da incerteza. Essas flutuações de vácuo de “ponto zero” (T = 0)
possuem energias diferentes de zero. Uma tentativa de calcular a densidade de energia do vácuo somando a
energias de flutuações de ponto zero para todas as frequências possíveis, leva a um resultado infinito. O
a teoria quântica de campo existente não é confiável para frequências extremamente altas, então parece sensato
para parar a soma em algum valor de corte. No entanto, com qualquer corte razoável, o resultado
permanece ridiculamente grande, maior do que uma estimativa baseada em observações astronômicas por um
fator de ordem 10^55 ou 10^123 . (Dependendo do ponto de corte. O número “arredondado” 10^120 é o frequentemente citado.) Isso foi chamado de “a pior previsão teórica da história da
Ciência”.

Figura 1. Flutuações de vácuo de ponto zero no campo de glúons. (Glúons são portadores de força sem massa,
comparável aos fótons. Os fótons carregam a força eletromagnética. Glúons carregam o forte
força de interação que une os quarks para formar prótons e nêutrons.) Essa animação foi
produzido pela simulação numérica da cromodinâmica quântica – a teoria quântica de campo do
interação forte – em uma rede espaço-temporal. As dimensões da caixa de treliça mostrada aqui, em
femtômetros (1 fm = 10 -15 m), são 2,4×2,4×3,6. Uma caixa deste tamanho poderia conter um par de
prótons; aqui está vazio, ou seja, contém apenas flutuações de vácuo. Para maior clareza visual, alta
as flutuações de frequência/curta distância foram filtradas.
© Derek Leinweber, CSSM, Universidade de Adelaide, Austrália.

O problema tem uma longa história. Foi discutido pela primeira vez em 1916 por Walther Nernst, o pai de
a terceira lei da termodinâmica. Nernst considerou flutuações de ponto zero do
apenas campo eletromagnético. Ele concluiu que “a quantidade de energia do ponto zero no vácuo é
bastante enorme”, mas não fez uma conexão com a relatividade geral de Einstein. Isso foi
feito alguns anos depois por Wolfgang Pauli, que descobriu que, se a energia do vácuo fosse real, o raio
do universo de Einstein “nem chegaria à lua”. (Na relatividade geral, todas as formas de
energia gravitam, ou seja, induzem a curvatura do espaço-tempo.)

Em sua famosa revisão da mecânica quântica de 1933, Pauli afirmou sua crença de que a energia do vácuo deveria ser “inobservável em princípio”. Isso não impediu que outros tentassem resolver o problema da energia do vácuo. No final da década de 1940, Richard Feynman tentou uma solução por meio de uma reformulação drástica da teoria quântica de campos. Sua ideia básica era simples: livrar-se dos campos e considerar apenas as partículas. Por exemplo, as flutuações de vácuo podem ser vistas como partículas virtuais momentaneamente existentes; mais precisamente, como pares virtuais partícula-antipartícula (para conservar carga, etc.). Feynman esperava que, sem campos flutuantes, não houvesse energia de vácuo. Sua reformulação da teoria quântica de campos foi extremamente bem-sucedida e tem sido usada desde então – mas o problema da energia do vácuo
permaneceu sem solução.

O problema da energia do vácuo é frequentemente identificado com o problema da constante cosmológica. Se
energia do vácuo é diferente de zero, contribui com uma fonte de gravidade para a equação de campo de Einstein de
relatividade geral. Tal contribuição seria indistinguível daquela devido à segunda
parâmetro livre na equação de Einstein – a constante cosmológica. (O primeiro sendo
constante gravitacional de Newton.) A descoberta de que a expansão do Universo é
acelerando, sugeriu que a densidade de energia do vácuo – ou a constante cosmológica – deve ser
diferente de zero. Mas, como mencionado acima, a estimativa baseada em observações é muito excedida pelo
o teórico.

Meu cálculo recente ( https://doi.org/10.1016/j.astropartphys.2019.102387 Astropartícula
Physics 115, 102387, 2020), com cerca de duas páginas, combina a ideia original de Feynman com
os potenciais “químicos” de Gibbs e mostra que a energia do vácuo desaparece. Aqui está um breve
resumo.

Os pares virtuais partícula-antipartícula certamente carregam energia diferente de zero – em microescala. Mas
a energia do vácuo de interesse na relatividade geral é uma grandeza termodinâmica em macroescala; Está
valor deve ser calculado usando os métodos da termodinâmica. Considere algum volume de
vácuo. Quando um par virtual aparece neste volume visto como um sistema termodinâmico, o
a mudança na energia do sistema não é simplesmente a energia nua do par recém-adicionado.
Em vez disso, é dado pelo chamado potencial químico, que inclui também o efeito total do
interações que o par recém-adicionado tem com todos os outros pares virtuais presentes no sistema.

(O termo “potencial químico” tornou-se padrão e não pode ser substituído. Isso é lamentável
porque seu significado literal é enganoso. Willard Gibbs, que introduziu o conceito, nunca
usou a designação “química”. Os potenciais químicos são usados ​​na física, na química, na
ciência dos materiais, etc.) Um cálculo simples, usando as equações da termodinâmica, mostra que
no vácuo, os potenciais químicos dos pares virtuais são todos iguais a zero. Consequentemente, o vácuo
energia desaparece.

Se isso é tão simples (em retrospecto), por que isso não foi feito antes? Boa pergunta. Possivelmente,
porque os potenciais químicos desempenham um papel crucial? Considere isto: as estatísticas de Bose-Einstein foram
publicado por Einstein em 1925; aplica-se a partículas chamadas bósons, das quais o fóton é o principal
exemplo. Sua expressão matemática é uma fórmula simples, que hoje em dia é escrita usando
potenciais químicos. No entanto, a noção do potencial químico de um fóton não apareceu no
literatura de pesquisa até 1949 (!) (De acordo com o Google Scholar.)

Se a energia do vácuo desaparece, o que impulsiona a expansão acelerada do Universo? Para minha tomada
sobre este assunto, ver https://doi.org/10.1016/j.astropartphys.2014.10.003Astropartícula
Física 62, 258, 2015. Este trabalho demonstra que a repulsão cósmica, responsável pela
aceleração, é uma propriedade emergente da relatividade geral aplicada ao Universo como um todo. Seu
efeito é observável apenas em escalas cosmológicas.



Fonte original deste artigo

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