Ainda sobre o Nobel de Física 2011

Vocês já pensaram numa explicação sobre a descoberta que levou os três cientistas americanos (Saul Perlmutter, Adam Riess, e Brian Schmidt) a ganhar o Nobel deste ano? Eles observaram que o Universo está se expandindo (mas Hubble já havia mostrado isto na década de 20) porém, eles descobriram que a expansão ocorre de forma acelerada. A causa: "energia escura". Pouco se sabe sobre a energia escura. Como essa energia interage com a matéria? Ninguém sabe ainda...

Mas por que esses cientistas chamam de energia uma força anti-gravidade que faz as galáxias se acelerarem? Trata-se de energia ou força? 

Uma discussão sobre a temática energia-força nos remete ao conceito de densidade de energia por unidade de volume. Esse conceito, muito útil, por exemplo, no estudo da energia de uma gás contido num recipiente, permite-nos pensar que um aumento na energia cinética das partículas gera uma aumento na pressão do gás. Em outros termos, um aumento na densidade da energia em cada elemneto de volume do gás gera um aumento na força exercida em cada elemento de área das paredes do recipiente. Não por acaso, uma simples análise dimensional permite-nos perceber que energia por unidade de volume equivale a força por unidade de área (J/m^3 = N/m^2).

Um fenômeno descoberto na década de 1950, o Efeito Casimir, é outro exemplo dessa relação. Quando duas placas metálicas paralelas e descarregadas são colocadas muito próximas uma da outra ficam sujeitas a uma força que tende a aproximá-las. Porém, essa força só será mensurável quando a distância entre as duas placas for extremamente pequena, da ordem de alguns diâmetros atômicos. A explicação desse fenômeno pode ser feita pela análise da energia do espaço vazio entre as placas. Numa primeira análise essa energia tenderia a ser zero pela física clássica (ausência de matéria), porém, pela mecânica quântica, o vácuo entre as placas teria uma energia mínima e não nula como afirma o Princípio da Incerteza de Heisenberg. No vácuo entre as placas partículas e anti-partículas apareceriam e desapareceriam continuamente gerando uma oscilação da densidade da energia nesse volume. Na medida em que as placas se aproximam o número de modos do campo na região interna diminui o que diminui a quantidade de partículas e anti-partículas que ali surgem. A diferença entre a quantidade de partículas na região interna e numa região externa às placas gera uma força que aproxima as placas.

Eu gosto muito de uma explicação análoga dada a outro fenômeno conhecido desde o século XVIII: dois navios balançam de um lado a outro com forte maré, mas com vento fraco, nessas condições os navios se aproximam cada vez mais. Explica-se esse fenômeno pela interferência destrutiva que elimina a maré entre os navios. O mar calmo entre os navios tem uma densidade de energia menor que a maré de cada lado dos navios, criando uma pressão que pode empurrar os navios para mais perto de si. E se os navios se aproximam demais, muitos danos podem ocorrer. Como contramedida, um livro do início de 1800 já recomendava que cada navio deveria mandar um barco remado por 10 a 20 marinheiros para afastar os navios próximos, como medida de segurança.

Assim, uma explicação da expansão acelerada do universo seria dada pela existência de uma força contrária a atração gravitacional gerada por uma pressão negativa exercida por "alguma coisa" diferente da matéria conhecida que preenche o universo conhecido. Uma candidata a viável à solução do problema seria a diminuição na densidade da chamada "energia escura" ou "matéria escura" que foi prevista originalmente por Einstein para evitar o colapso do universo devido à atração gravitacional. Einsten incluiu esse termo nas suas equações de campo da relatividade com o objetivo de estabilizar o universo. Porém, hoje, a constante cosmológica inserida "a contra gosto" por Einstein garantiria a expansão acelerada do universo se a existência da matéria escura for comprovada.