Nova hipótese pode conectar dois dos maiores mistérios da física: energia escura e gravitação quântica

A gravitação quântica e a energia escura estão entre os grandes problemas em aberto da Física. A primeira busca descrever a gravidade quando efeitos quânticos se tornam relevantes, enquanto a segunda é o nome dado ao componente responsável pela aceleração da expansão cósmica.

A dificuldade está também na enorme diferença de escalas envolvidas: os efeitos quânticos da gravidade são normalmente associados a escalas microscópicas, enquanto a energia escura se manifesta na escala cosmológica. Por isso, uma relação direta entre os dois fenômenos não é algo que se espera observar.

Publicado na Physical Review D, o artigo propõe uma relação de incerteza quântica aplicada ao fator de escala do Universo. Nesse modelo, a aceleração cósmica surge como uma manifestação macroscópica de efeitos de gravitação quântica, sem exigir uma nova partícula ou campo de energia escura.

Energia escura

A energia escura é o nome dado à componente desconhecida associada à expansão acelerada do Universo. Sua natureza ainda não foi determinada, mas ela representa cerca de 68% do conteúdo energético do cosmos no modelo cosmológico padrão. A energia escura está associada a um efeito repulsivo em escalas cosmológicas.

Entretanto, outras possibilidades incluem campos dinâmicos ou até modificações da relatividade geral em grandes escalas. Determinar qual dessas hipóteses descreve corretamente a aceleração cósmica é um dos principais problemas atuais da Cosmologia.

Gravitação Quântica

A gravitação quântica busca descrever a gravidade em regimes onde os efeitos da Mecânica Quântica não podem ser ignorados. A relatividade geral trata a gravidade como a curvatura contínua do espaço-tempo, enquanto a teoria quântica descreve a matéria e as demais interações em termos de campos e estados quânticos.

Esse problema é importante em condições extremas, como próximo às singularidades de buracos negros e no Universo primordial, onde a relatividade geral e a Mecânica Quântica deixam de fornecer uma descrição completa quando consideradas separadamente.

Como as duas estariam conectadas?

A nova conexão proposta surge da aplicação do princípio de incerteza quântica à própria evolução do Universo. O estudo considera que não seria possível determinar simultaneamente, o tamanho do Universo e sua taxa de expansão, e essa incerteza modificaria as equações que descrevem a dinâmica cosmológica.

A proposta também sugere que esses efeitos quânticos poderiam modificar a descrição do Big Bang. Dependendo da formulação, o Universo poderia ter passado por uma fase de contração. Assim, a energia escura não seria uma nova partícula ou campo, mas uma manifestação macroscópica da própria estrutura quântica do espaço-tempo.

Escalas muito diferentes

A dificuldade em conectar gravitação quântica e energia escura está, em parte, na enorme diferença entre as escalas em que seus efeitos são normalmente estudados. A mecânica quântica descreve fenômenos no regime subatômico, enquanto a gravidade domina a dinâmica de estruturas cosmológicas.

As duas teorias são testadas com precisão em seus respectivos domínios, mas ainda não conseguimos reproduzir condições em que efeitos quânticos e gravitacionais extremos atuem simultaneamente. Regiões como o interior de buracos negros ou os primeiros instantes do Universo estão fora do alcance dos experimentos atuais.