Vácuo quântico

Vácuo quântico seria o espaço no qual aparentemente não existe nada para um observador qualquer, mas que contém uma quantidade mínima de energia, campos eletromagnéticos e gravitacionais principalmente e partículas virtuais (partículas de força) interagindo entre si.^{[carece de fontes]}

Prólogo

Antes, pensava-se que existisse uma entidade física chamada vácuo absoluto sobre o qual vários cientistas da Idade Média, inclusive Blaise Pascal, realizaram vários experimentos para tentar reafirmar essa ideia.

O vácuo absoluto seria aquele no qual nada existiria, nem elementos químicos, campos e partículas de força, etc. Porém, verificou-se que se tal Vácuo Absoluto realmente existisse, isso iria contradizer o famoso Princípio da Incerteza de Werner Heisenberg, o postulado e base maior da Mecânica Quântica.

Mecânica quântica

A mecânica quântica, de um modo geral e mais simples, é a física das probabilidades, na qual não existe uma certeza quanto a posição e velocidade de uma partícula, mas uma medida de probabilidades de encontrar a partícula numa dada posição e em uma dada velocidade.

O Princípio da Incerteza do físico Werner Heisenberg, enfatiza matematicamente essa ideia, na qual é impossível determinar simultaneamente com acuidade infinita a posição e a velocidade de uma partícula. Quanto mais precisamente determina-se a posição, menos determina-se a velocidade, e vice-versa.

Isso ocorre porque quando precisa-se determinar a posição e a velocidade de uma partícula, precisamos fazer incidir luz sobre ela. Essa luz tem uma determinada freqüência e conseqüentemente uma dada energia. Com isso, a posição e/ou a velocidade de uma partícula são alteradas de acordo com a freqüência e energia da luz usada para observá-las. Por isso que quanto mais determina-se uma coisa, mais indetermina-se outra e vice-versa. Isso depende da freqüência e energia da luz usadas para a observação.

Vácuo quântico

Se o vácuo absoluto realmente existisse, ele contrariaria o Princípio da Incerteza, de Werner Heisenberg. Isso porque os campos eletromagnéticos e gravitacionais seriam zero, o que equivale a dizer que a posição e a velocidade de uma partícula seriam iguais a zero. Ou seja, ambas estariam determinadas, contrariando o postulado do Princípio da Incerteza.

Ao contrário do que se entende comumente, o vácuo é cheio de partículas potenciais, pares de matéria e antimatéria virtuais, que estão sendo constantemente criadas e destruídas. Elas não existem como entidades observáveis, mas exercem pressão sobre outras partículas (Efeito Casimir).

A criação de pares virtuais de partículas não viola a lei da conservação da massa/energia porque elas existem em intervalos de tempo muito pequenos, muito menores do que o tempo de Planck (10^ -43s), de forma que não causam impacto nas leis macroscópicas.^{[carece de fontes]}

O vácuo quântico é o estado mais baixo de energia conhecido no universo (ao invés do que seria o Zero absoluto).

Átomos

Vídeo de um experimento mostrando flutuações quânticas de energia de vácuo (no anel vermelho).

Toda matéria visível é composta por sistemas de partículas chamados átomos - do grego indivisível. Esses átomos possuem um núcleo de prótons e nêutrons, que por sua vez também são formados por outras duas partículas - os quarks quark Up e quark Down. Um quark up possui por definição carga elétrica 2/3 e um quark down carga -1/3. Como o próton é formado por dois quarks up e um quark down, se somarmos as cargas elétricas dos mesmos, isso resultará exatamente a sua carga elétrica: 2/3 + 2/3 - 1/3 = +1, a carga elétrica do próton. O mesmo ocorre com o nêutron, que é formado por um quark up e dois quarks down: 2/3 - 1/3 - 1/3 = 0, portanto a carga elétrica do nêutron é nula. Esse núcleo é circundado por outras partículas que por sua vez são elementares e portanto não têm composição e nem podem ser divididas - os elétrons - que possuem carga elétrica igual a -1. Se o átomo fosse do tamanho do Estádio de Futebol do Maracanã, seu núcleo seria do tamanho de uma "bolinha de gude" e os seus elétrons seriam "partículas de poeira". Só que todo esse espaço restante não é totalmente vazio e sim ocupado por campos gravitacionais e eletromagnéticos, ou seja, por pequenas flutuações quânticas de energia de vácuo. Conforme "The Weight of the World Is Quantum Chromodynamics", as partículas que formam o núcleo do átomo (os quarks e os glúons que os mantêm unidos) existem devido às flutuações do vácuo quântico, ou seja, a matéria é virtual e formada pelas flutuações de energia do vácuo quântico.

Buracos negros

O caso de formação de uma estrela, o Sol por exemplo, serve para se entender o surgimento de um buraco negro. Há aproximadamente cinco bilhões de anos, uma nuvem de gás rotativa, que continha hidrogênio na sua composição, começou a contrair-se gravitacionalmente decorrente da presença de grande massa. Ela contraía-se mais e mais, até que chegou em um ponto em que o hidrogênio começou a fundir-se em si mesmo, queimando-o e liberando energia e radiação. Essa energia começou a equilibrar a atração gravitacional.

Ou seja, de um lado a pressão positiva exercida pela gravidade sendo equilibrada por outro lado pela pressão negativa da energia e radiação liberadas pela fusão do hidrogênio; é justamente a fusão nuclear de Hidrogênio que faz uma estrela brilhar.

Na medida em que o hidrogênio é queimado, ele vai acabando e vai começando a aparecer hélio, dentre outros elementos. Nosso Sol tem hidrogênio suficiente para viver mais cinco bilhões e meio de anos. No final da vida de uma estrela, o seu combustível nuclear (hidrogênio) chega quase que ao fim, e aí, há a queima do hidrogênio restante e, para estrelas com massa de até 8 sóis, o seu fim é virar uma estrela anã branca, como o fim de nosso sol.

Já para estrelas com massa maior que oito vezes a massa solar, o seu destino é virar um buraco negro. A estrela começa a contrair-se mais e mais, os seus raios de luz vão ficando cada vez mais arqueados pela atração gravitacional, que aumenta à medida que a estrela se contrai. Enfim, a estrela estabiliza-se em um estado final, com gravidade fortíssima, na qual nem a luz pode escapar, ou seja, a estrela estabiliza-se em um buraco negro. Se nada pode ultrapassar a velocidade da luz, de acordo com a Relatividade Restrita, nada pode escapar da gravidade de um buraco negro.

A região na qual nada que entra pode sair de um buraco negro é denominado de horizonte de eventos. O físico Jacob Bekenstein, propôs a ideia de que a área do horizonte de eventos seria uma medida da entropia de um buraco negro, porém, verificou-se que se o horizonte de eventos de um buraco negro fosse realmente uma medida de sua entropia, ele deveria ter uma temperatura e, consequentemente, emitir radiação, algo impossível para um buraco negro, já que tudo que entra não pode sair.

Todavia, verificou-se que haveria uma possibilidade de o horizonte de eventos ser uma medida da entropia de um buraco negro, sem mesmo precisar-se emitir diretamente uma determinada radiação. Como não existe um vácuo absoluto, então existem vários pares de partículas com antipartículas, ambas virtuais, interagindo entre si em torno de um buraco negro, na qual a energia positiva de uma partícula cancela a energia negativa da outra, e vice-versa.

A partícula de energia negativa seria atraída pela gravidade fortíssima do buraco negro e cairia dentro dele, liberando sua parceira de energia positiva para o espaço exterior. A energia negativa da partícula dentro do buraco negro diminuiria parte de sua massa, já que cancelaria parte da energia positiva da massa do buraco negro. A partícula de energia positiva liberada pareceria que como se emitida pelo buraco negro, para um observador distante no espaço. Ou seja, a partícula de energia positiva não viria diretamente do buraco negro, como pensado pelo observador externo, mas do espaço exterior a ele mesmo.

Desse modo, a ideia de "Vácuo Quântico" resolve esse problema, admitindo que o horizonte de eventos seja uma medida da Entropia de um buraco negro.

A radiação de um Buraco Negro é chamada de Radiação de Hawking, em homenagem ao físico inglês Stephen William Hawking, que demonstrou teoricamente como tais corpos emitiam determinada radiação.

Conclusão

Podemos concluir que não existe um vácuo absoluto, mas um estado mínimo de energia, o estado fundamental, no qual existem pares de partículas virtuais (partículas portadoras de força, como o gráviton, por exemplo, que media a força gravitacional) interagindo entre si.

Bibliografia

• Uma Breve História do Tempo: Do Big Bang aos Buracos Negros, Stephen William Hawking. Editora Rocco, 1989.
• Uma Nova História do Tempo: Stephen William Hawking e Leonard Mlondinow. Editora Ediouro, 2005. (Uma nova versão de uma Breve História do Tempo, de Stephen William Hawking, acima).
• O Universo numa Casca de Noz: Stephen William Hawking. Editora ARX, 2001.
• A Dança do Universo: dos Mitos de Criação ao Big Bang, Marcelo Gleiser. Cia. das Letras.
• YAN Kun. Vacuum energy and superluminal velocity(2006), Zero-point energy step equation(2011).