A energia escura pode ser incompatível com a teoria das cordas

A teoria das cordas permite um “panorama” 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...

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A teoria das cordas permite um “panorama” 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. Agora, um novo e controverso artigo argumenta que os universos com perfis de energia escura como o do nosso não existem no “panorama” dos universos permitidos pela teoria das cordas.

De Natalie Wolchover para a Quanta Magazine

Em 25 de junho, Timm Wrase acordou em Viena e, ainda sonolento, visitou um repositório online de novos papers de física. E um título o surpreendeu.

O artigo do proeminente teórico das cordas Cumrun Vafa, da Universidade de Harvard, e de colaboradores, conjecturou 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 todas as forças como vibrações de minúsculos filamentos de energia. A teoria permite cerca de 10500 soluções diferentes: um vasto e variado “panorama” de universos possíveis. Teóricos de cordas como Wrase e Vafa lutaram por anos para colocar nosso particular universo em algum lugar desta gama de possibilidades.

Mas agora, Vafa e seus colegas estavam conjeturando que no panorama das cordas, universos como o nosso — ou o que é pensado que ele seja — não existem. Se a conjetura estiver correta, Wrase e outros teóricos das cordas perceberam imediatamente que o cosmo deve ser profundamente diferente daquilo que previamente pensamos ou a teoria das cordas deve estar incorreta.

Depois de ter passado no jardim de infância naquela manhã, Wrase foi trabalhar na Universidade de Tecnologia de Viena, onde seus colegas também estavam conversando sobre o mesmo paper. Naquele mesmo dia, em Okinawa, no Japão, Vafa apresentou a conjectura na conferência Strings 2018, transmitida a físicos de todo o mundo. O debate começou dentro e fora do local. “Houve pessoas que imediatamente disseram: ‘Isso tem que estar errado’, outras pessoas que disseram ‘Ah, eu venho dizendo isso há anos’ e todo tipo de coisas entre essas duas”, disse Wrase. Houve confusão, ele acrescentou, mas “também, é claro, um enorme entusiasmo. Porque se esta conjectura estiver correta, então teríamos implicações tremendas para a cosmologia”.

Os pesquisadores começaram a trabalhar tentando testar a conjectura e explorar as implicações. Wrase já escreveu dois artigos, incluindo um que pode levar a um refinamento da conjectura, e ambos escritos principalmente durante as férias dele com sua família. Wrase se lembrou de ter pensado: “Isso é tão excitante. Eu tenho que trabalhar e estudar isso ainda mais”.

A fórmula conjeturada — apresentada em 25 de junho em um artigo de 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 o 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 simples modelos de universos que tomem por base a teoria de cordas. Mas viola duas convicções generalizadas sobre o universo atual: considera impossíveis ideias aceitas como a da expansão atual e também a do modelo principal do surgimento ”explosivo” do universo.

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 repulsora.

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

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

Vafa e colegas argumentam que universos com quantidades estáveis, constantes e positivas de energia a vácuo, conhecidos como “universos de Sitter”, não são possíveis. Os teóricos das cordas têm lutado vigorosamente 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 uma inconsistência lógica; os universos de Sitter não estão inclusos nesse panorama, mas sim em um “pântano”. “As coisas que parecem consistentes, mas que no final não são consistentes, eu as chamo de pantanal”, explicou ele recentemente. “Eles quase parecem um panorama; você até pode ser enganado por eles. Você acha que deveria ser capaz de construí-los [no modelos matemáticos], mas se não pode.

Cumrun Vafa, um proeminente teórico de cordas da Universidade de Harvard, mapeia o “pântano” proibido de universos impossíveis há 13 anos. (Foto: Hayward Photography / Quanta Magazine)

De acordo com essa “conjectura do pântano de Sitter”, em todos os universos lógicos possíveis, a energia do vácuo deve estar diminuindo, seu valor é como o de 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 deveria tomar uma forma chamada “quintessência”, uma fonte de energia que gradualmente diminuirá ao longo de dezenas de bilhões de anos. Diversos experimentos com telescópios 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 de forma fundamental, 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.

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 para medir se a densidade da energia escura está mudando. “Se você descobrir que não é consistente com a quintessência”, disse Steinhardt, “significa que a ideia pantanal está errada, ou a teoria das cordas está errada, ou ambas estão erradas ou — algo está errado”.

Inflação sitiada

De modo não menos dramático, 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, regular e plano.

“Talvez a teoria das cordas não descreva o mundo. [Talvez] a energia escura tenha falsificado isso.”Matthew Kleban, teórico das cordas e cosmólogo da Universidade de Nova Iorque

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

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 isso seja falso. O mesmo acontece com seu marido, o professor de Stanford Shamit Kachru; ele é o primeiro “K” em KKLT, um famoso artigo científico de 2003 (conhecido pelas iniciais de seus autores) que sugeriu um conjunto de ingredientes filamentosos 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 da expansão não são mais desfavorecidos agora, à luz dos novos papers, do que antes. “Eles essencialmente, apenas especulam que essas coisas não existem, citando análises muito limitadas e, em alguns casos, altamente duvidosos”, disse ela.

Matthew Kleban, um teórico de cordas e cosmólogo da Universidade de Nova Iorque, também trabalha com modelos filamentosos da inflação. Ele enfatiza que a nova conjectura do pântano é altamente especulativa e que ela é um exemplo do raciocínio da alegoria do poste de luz (na alegoria um sujeito pergunta: — Você perdeu a chave aqui?, um segundo que está a procurar embaixo do poste de luz, responde: — Não, mas aqui está mais claro; essa é uma alegoria comumente referida no meio científico quando se está a empregar um raciocínio que é um tipo de viés de observação que ocorre quando as pessoas só pesquisam algo onde é mais fácil procurar), já que grande parte do panorama das cordas ainda precisa ser explorado. 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 do pântano de Sitter e experiências futuras realmente terão o poder de falsear a teoria das cordas, ainda não se sabe. A descoberta, no início dos anos 2000, de que a teoria das cordas tem algo como 10500 possíveis soluções matou o sonho de quem pudesse acreditar que ela pudesse em uma única e inevitável forma prever as propriedades de nosso universo. A teoria parecia apoiar quase todas as observações e tornou-se muito difícil testá-la ou refutá-la experimentalmente.

Em 2005, Vafa e uma rede de colaboradores começaram a pensar em como reduzir as possibilidades mapeando características fundamentais da natureza que obrigatoriamente têm de serem 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 tirados do panorama e jogados para o pântano. Muitas dessas conjecturas do pântano se mantiveram famosamente como um possível ”contra ataque”, e algumas agora possuem “uma base teórica muito sólida”, disse Hirosi Ooguri, um físico teórico do Instituto de Tecnologia da Califórnia e um dos primeiros colaboradores de Vafa. A conjectura da gravidade fraca, por exemplo, acumulou tantas evidências que agora ela é candidata de ser válida de forma geral, independentemente se teoria das cordas for a teoria correta da gravidade quântica.

“A maior parte da comunidade na teoria das cordas ainda se posiciona do lado das construções de de Sitter existentes, porque a crença é: ‘Veja, vivemos em um universo de de Sitter com energia positiva; portanto, é melhor termos exemplos desse tipo’”Cumrun Vafa, teórico das cordas da Universidade Harvard

A intuição sobre onde a panorama termina e o pântano começa deriva de décadas de esforço para construir modelos 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 e devem estar muito encolhidas em todos os pontos. Esse panorama emerge de todas as maneiras diferentes de configurar essas dimensões extras. Mas, embora as possibilidades sejam enormes, pesquisadores como Vafa descobriram que os princípios gerais emanam. Por exemplo, as dimensões encolhidas normalmente tendem a se contrair gravitacionalmente para dentro, enquanto forças como as de 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. Mudar a energia do vácuo a positiva é difícil. “Normalmente, na física, temos exemplos simples de fenômenos gerais”, disse Vafa. “E [os universos] de Sitter não são um desses.”

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 no vácuo constante e positiva. No entanto, essas construções são complicadas e, ao longo dos anos, possíveis instabilidades seriam identificadas. Embora Kachru tenha dito que não tem “nenhuma dúvida séria”, muitos pesquisadores suspeitam que, no final das contas, o cenário KKLT não produz universos estáveis ​​de Sitter.

Vafa acha que uma busca conjunta por modelos de universos definitivamente estáveis ​​de Sitter está muito atrasada. Sua conjectura é, acima de tudo, destinada a pressionar a questão. Na opinião dele, os teóricos das cordas não têm se sentido suficientemente motivados para descobrir se a teoria das cordas é realmente capaz de descrever nosso mundo, em vez de adotarem a postura de, já que o panorama 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]”, ele disse, “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 científica, com pesquisadores como Wrase procurando por contra-exemplos estáveis ​​de Sitter, enquanto outros brincam com modelos filamentosos 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 a questão — é assim que progredimos”.

Artigo traduzido do original “Dark Energy May Be Incompatible With String Theory” de Natalie Wolchover  para a Quanta Magazine.

 

(Crédito da ilustração de capa: Maciej Rebisz para a Quanta Magazine.)

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