Em um futuro distante, o Universo pode esperar diferentes variantes do destino , mas se a energia escura for realmente constante - como todos os dados testemunham isso - então seu desenvolvimento continuará a seguir a curva vermelha. Esta curva levará o Universo a uma variante da morte por calor. No entanto, a energia escura não precisa ser uma constante cosmológica.
Um dos componentes mais misteriosos do universo é a energia escura.... Para ser honesto, não deveria estar lá. Anteriormente, assumimos de forma bastante lógica que o Universo está equilibrado e que sua expansão é oposta pelas forças da gravidade que agem sobre tudo nele. Se a gravidade vencer, o universo entrará em colapso novamente. Se a expansão vencer, tudo cairá no esquecimento. No entanto, observações feitas depois de 1990 sugerem que a expansão não está apenas ganhando - galáxias distantes estão se afastando de nós a uma taxa cada vez maior. No entanto, isso pode ser chamado de uma nova ideia ou é apenas uma ressurreição do que Einstein uma vez chamou de seu maior erro: a constante cosmológica ? Esta pergunta é feita por nosso leitor:
A constante cosmológica de Einstein e a energia escura são a mesma coisa? Por que o termo "energia escura" eventualmente substituiu o termo original "constante cosmológica"? Eles são idênticos ou não, e por quê?
Existem várias questões aqui. Voltemos à ideia original de Einstein, a constante cosmológica.
Hoje sabemos que uma proporção significativa de outras galáxias além da Via Láctea são em forma de espiral. Todas as nebulosas espirais que estudamos desde os anos 1920 são outras galáxias. No entanto, na época de Einstein, isso estava longe de ser óbvio.
Deve ser lembrado que quando Einstein trabalhou na teoria da gravidade, que deveria substituir e suplantar a lei da gravitação universal de Newton, sabíamos pouco sobre o universo. Claro, a astronomia existe há milhares de anos, e os telescópios existem há muito tempo. Medimos estrelas, cometas, asteróides, nebulosas. Vimos o nascimento de novas e supernovas. Nós descobrimos estrelas e átomos variáveis. Encontramos estruturas interessantes no céu - espirais e elípticas.
Mas não sabíamos que essas espirais e elipses eram galáxias independentes. Essa ideia foi apenas a segunda mais popular; a opinião dominante era que se tratava de certas entidades (possivelmente formando estrelas) localizadas dentro da Via Láctea, que representava todo o universo. Einstein estava procurando uma teoria da gravidade que pudesse ser aplicada a tudo - incluindo todo o universo conhecido.
O comportamento gravitacional da Terra perto do Sol é melhor explicado não pela presença de uma atração gravitacional invisível, mas pela queda livre da Terra no espaço curvado pelo Sol. A distância mais curta entre dois pontos não é uma linha reta, mas uma geodésica - uma linha curva determinada pela deformação gravitacional do espaço-tempo.
O problema tornou-se aparente quando Einstein foi capaz de formular sua maior conquista: a teoria da relatividade geral (GR). Em vez de depender de massas agindo infinitamente rápido umas sobre as outras em distâncias infinitas, Einstein apresentou um conceito completamente diferente. Primeiro, como o espaço e o tempo não eram absolutos, mas relativos para cada um dos observadores, a teoria teve que fazer previsões idênticas para todos os observadores: como dizem os físicos, para ser " relativisticamente invariante"E isso significava que os conceitos separados de espaço e tempo tinham que ser tecidos em um único tecido quadridimensional de espaço-tempo. Os efeitos gravitacionais não estavam mais se propagando em velocidade infinita, mas eram limitados pela velocidade da gravidade, que, de acordo com para a teoria de Einstein, é igual à velocidade da luz.
A principal descoberta de Einstein foi a substituição das massas que se atraem pela curvatura do espaço-tempo, que afeta tanto a matéria quanto a energia. O espaço-tempo curvo ditava como a matéria e a energia precisavam se mover. E a matéria e a energia em cada momento do tempo dizem ao espaço como se dobrar. E é assim que eles afetam um ao outro - após cada mudança de matéria e energia, a curvatura do espaço muda ligeiramente. Suas mudanças são governadas pelas equações da relatividade geral.
Animação da reação do espaço-tempo a uma massa em movimento. Permite imaginar o espaço-tempo não como um "tecido" bidimensional, mas como um objeto real. O espaço tridimensional é curvo devido à presença e propriedades da matéria e energia. O movimento de várias massas em torno umas das outras causa ondas gravitacionais.
Se Einstein tivesse parado por aí, ele teria lançado a revolução espacial. Por um lado (por assim dizer, por um lado do sinal de igual na equação) toda a matéria e energia do universo. Por outro lado, a curvatura do espaço-tempo. Deve terminar aí - as previsões da equação devem dizer a você o que acontecerá no futuro.
E quando Einstein resolveu essas equações para uma grande distância de uma pequena massa, ele recebeu a lei da gravitação universal de Newton. Mas ao se aproximar da massa, as correções começaram a surgir - tanto explicando os desvios até então inexplicados da órbita de Mercúrio, quanto prevendo que a luz das estrelas que passam pelo Sol deve desviar-se de uma linha reta. Foi assim que a teoria geral da relatividade foi confirmada pela primeira vez na prática.
Porém, em outra situação, surgiu outro problema. Se assumirmos que o universo está uniformemente preenchido com matéria, então, pelas equações, conclui-se que ele é instável. Se começou a existir no espaço-tempo estático, então deve entrar em colapso. Para remediar a situação, Einstein inventou a constante cosmológica.
Se o universo não estiver se expandindo, ele pode ser preenchido com qualquer tipo de matéria estacionária, mas sempre entrará em colapso em um buraco negro. No contexto da gravidade de Einstein, tal universo é instável e deve se expandir.
Precisamos entender de onde vem a ideia da constante cosmológica. Existe uma ferramenta poderosa na matemática que é onipresente na física: a equação diferencial . Pode ser algo tão simples como a lei de Newton F = ma. Esta equação simplesmente explica como certas quantidades se comportarão no próximo momento. Após esse momento ter passado, eles podem ser substituídos na mesma equação, e ela novamente prevê o que acontecerá com eles no próximo momento.
Uma equação diferencial, por exemplo, pode dizer o que acontece com uma bola rolando colina abaixo. Diz que caminho tomará, como acelerará, como sua localização mudará com o tempo. Ao resolver a equação diferencial que descreve o movimento de uma bola rolando colina abaixo, você pode traçar com precisão sua trajetória.
A equação diferencial dirá a você quase tudo o que você deseja saber sobre uma bola rolando colina abaixo. Mas não pode dizer uma coisa: a altura da colina. Você não sabe se este morro está localizado em um planalto de montanha, se termina ao nível do mar ou na cratera de um vulcão extinto. Colinas idênticas localizadas em alturas diferentes serão descritas pela mesma equação diferencial.
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Um problema semelhante surge no cálculo quando você primeiro aprende a tomar a integral indefinida - a infame "mais constante" que precisa ser adicionada no final. Claro, a relatividade geral não é uma equação diferencial, mas uma matriz de 16 equações diferenciais, 10 das quais não dependem umas das outras. Mas uma constante pode ser adicionada a cada um deles de uma determinada maneira - e ficou conhecida como constante cosmológica. Você pode se surpreender, mas esta é a única coisa que pode ser adicionada à relatividade geral sem alterar fundamentalmente a essência da teoria (exceto para outra forma de matéria ou energia).
MAS Einstein acrescentou a constante cosmológica à sua teoria, não porque isso pudesse ser feito, mas porque do seu ponto de vista era preferível. Sem adicionar uma constante, suas equações diziam que o universo deveria se expandir ou contrair, mas nada do tipo era perceptível. E em vez de acreditar nas equações, Einstein injetou uma constante nelas para "consertar" uma situação aparentemente quebrada. Se ele tivesse ouvido as equações, ele teria previsto a expansão do universo. Em vez disso, o trabalho de outros cientistas refutou a escolha de Einstein, e ele próprio abandonou a constante cosmológica apenas na década de 1930, quando a expansão do universo foi confirmada por observações.
Durante a expansão do Universo, a matéria comum e escura, bem como a radiação, tornam-se menos densas. No entanto, a energia escura e a energia do campo durante a inflação são inerentes ao próprio espaço. Portanto, a densidade da energia escura permanece constante.
O problema é que a constante cosmológica não é como as formas de energia que conhecemos. Considere a matéria - há uma quantidade constante de suas partículas no Universo. Com a expansão do Universo, ele não muda, então sua densidade diminui. Se tomarmos a radiação, então não apenas o número de quanta é constante, mas a radiação, viajando através do Universo em expansão, é esticada do ponto de vista de um observador que um dia a pegará. Sua densidade diminui e cada quantum também perde energia com o tempo.
Mas a constante cosmológica é uma forma constante de energia inerente ao próprio espaço. É como se a superfície da Terra não estivesse ao nível do mar, mas subisse vários metros. Sim, essa nova altura poderia simplesmente ser chamada de "nível do mar", mas isso não funcionará com o universo. Não há como descobrir a magnitude do valor da constante cosmológica - simplesmente assumimos que é zero. Mas isso não é necessário - pode ser qualquer valor, positivo, negativo ou zero.
Vários componentes e contribuições para a densidade de energia do universo e seu domínio relativo. A radiação dominou a matéria durante os primeiros 9.000 anos, depois a matéria começou a dominar e a constante cosmológica apareceu. Todos os outros componentes são muito poucos. No entanto, a energia escura pode não ser equivalente à constante cosmológica.
Extrapolando no tempo para um universo anterior, quente, denso e raso, podemos não notar a constante cosmológica. Nos estágios iniciais, ele era amplamente superado em número por matéria e radiação. Foi somente depois que o universo se expandiu e esfriou que a densidade de matéria e energia caiu o suficiente para que a constante cosmológica se manifestasse.
Ou seja, se é que existe.
A energia escura pode acabar sendo uma constante cosmológica. E, de fato, levando em consideração todas as observações de hoje, parece que é assim - a mudança na taxa de expansão do Universo ao longo do tempo ocorre conforme a constante cosmológica dita. No entanto, existem alguns erros aqui, então a energia escura pode, em princípio, com o tempo:
- Aumentar ou diminuir,
- mude a densidade de energia,
- desenvolver de alguma maneira nova e complexa.
Embora tenhamos limitações nos valores da energia escura nos últimos 6 bilhões de anos, não podemos chamá-la de constante com precisão absoluta.
As densidades de matéria, radiação e energia escura são bem conhecidas. No entanto, para a energia escura, ainda há muito espaço de manobra nas equações. Pode ser constante, mas também pode mudar com o tempo.
Naturalmente, gostaríamos de saber se é constante ou não. E descobriremos, como geralmente é feito na ciência - melhorando as observações e conduzindo-as de forma consistente. A chave para isso são grandes conjuntos de dados, bem como sondar o universo em uma ampla gama de distâncias. Afinal, todos os menores detalhes da mudança na taxa de expansão do Universo no tempo nos ajudam a descobrir como mudou a luz que viaja pelo Universo. Se a energia escura for exatamente igual à constante cosmológica, então seu desenvolvimento seguirá uma certa curva. Se não, então outro, e podemos ver.
No final da década de 2020, teremos um enorme e complexo complexo terrestre para observar o universo. Tudo graças ao observatório. Vera Rubinque superará as conquistas de todos os instrumentos existentes, como Pan-STARRS e Sloan Sky Survey . Teremos uma grande variedade de observações espaciais graças ao Observatório Euclides Europeu e ao Telescópio Romano Nancy da NASA - eles serão capazes de ver 50 vezes mais detalhes do que o Telescópio Hubble. Todos esses novos dados nos ajudarão a determinar se a energia escura é de fato idêntica ao que a constante cosmológica prediz e se ela muda com o tempo.
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Há uma grande tentação - às vezes sou culpado disso - de combinar esses dois conceitos e considerar que a energia escura é apenas uma constante cosmológica. É claro por que queremos fazer isso - a constante cosmológica já faz parte da relatividade geral e não precisa ser explicada separadamente. Além disso, não sabemos como calcular a energia zero do espaço vazio na teoria quântica de campos, e ela faz exatamente a mesma contribuição para o universo que a constante cosmológica. Finalmente, todas as nossas observações são consistentes com o fato de que a energia escura é uma constante cosmológica e nada mais precisa ser complicado.
Porém, é daí que decorre a extrema importância das novas dimensões. Se não tivéssemos nos preocupado em medir o universo com cuidado e precisão, nunca teríamos descoberto a teoria da relatividade. Não teríamos descoberto a física quântica, não teríamos feito a maior parte das pesquisas que ganharam os prêmios Nobel e nos impeliram para os séculos 20 e 21. Em 10 anos, teremos dados que ajudarão a determinar se a energia escura difere da constante cosmológica com um erro de 1%.
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A constante cosmológica pode acabar sendo idêntica à energia escura, mas isso não é necessário. E mesmo que se revelem iguais, ainda queremos entender por que a constante cosmológica se comporta dessa maneira e não de outra maneira. No próximo ano de 2021, é importante lembrar que as respostas às nossas questões cósmicas mais profundas podem ser vistas na face do universo. A única maneira de obtê-los é recorrer à própria realidade física.