O que é o Vácuo Quântico?
Um vácuo quântico seria um espaço onde nada obviamente existe para qualquer observador, mas contém quantidades mínimas de energia, campos eletromagnéticos e gravitacionais, principalmente partículas virtuais interagindo (partículas de força).
Anteriormente, acreditava-se que havia uma entidade física chamada vácuo absoluto, na qual cientistas medievais, incluindo Bryce Pascal, realizaram vários experimentos para tentar reafirmar essa ideia.
Um vácuo absoluto seria um vácuo no qual nada existe, elementos químicos, campos, partículas de força, etc. No entanto, acontece que se tal vácuo absoluto realmente existisse, ele contrariaria o famoso princípio da incerteza de Werner Heisenberg, que é o postulado e principal fundamento da mecânica quântica.
Mecânica quântica
De uma forma geral e mais simples, a mecânica quântica é uma física probabilística em que a posição e a velocidade de uma partícula não podem ser determinadas, mas sim a probabilidade de encontrar uma partícula em uma determinada posição e uma determinada velocidade é medida. .
O Princípio da Incerteza do físico Werner Heisenberg reforça matematicamente a ideia de que é impossível determinar simultaneamente a posição e a velocidade de uma partícula com acuidade infinita. Quanto mais precisamente a posição é determinada, menos velocidade é determinada e vice-versa.
Isso ocorre porque quando precisamos determinar a posição e a velocidade de uma partícula, precisamos lançar luz sobre ela. Esta luz tem uma certa frequência e, portanto, uma certa energia. Assim, a posição e/ou velocidade das partículas mudará dependendo da frequência e energia da luz usada para observá-las. É por isso que quanto mais certa uma coisa é, menos certa é outra, e vice-versa. Depende da frequência e energia da luz usada para observação.
O vácuo quântico
Se realmente existisse um vácuo absoluto, isso contrariaria o princípio da incerteza de Werner Heisenberg. Isso porque os campos eletromagnéticos e gravitacionais são zero, o que significa que a posição e a velocidade da partícula são zero. Ou seja, ambos são determinísticos, o que contraria os pressupostos do princípio da incerteza.
Ao contrário do que comumente se entende, o vácuo está cheio de pares potenciais de partículas, matéria virtual e antimatéria que estão constantemente sendo criados e destruídos. Eles não existem como entidades observáveis, mas exercem pressão sobre outras partículas (efeito Casimir).
Criar pares de partículas virtuais não viola a lei de conservação de massa/energia porque eles existem em intervalos de tempo muito pequenos, muito menores que o tempo de Planck (10^-43s), então eles não afetam as leis macroscópicas.
O vácuo quântico é o estado de energia mais baixo conhecido no universo[1] (em vez do zero absoluto).
O átomo
Toda a matéria visível é composta de sistemas de partículas chamados átomos – da palavra grega indivisível. Esses átomos têm um núcleo composto de prótons e nêutrons, que por sua vez são compostos de duas outras partículas – quarks up e down. A carga do quark up é 2/3 e a carga do quark down é -1/3. Como um próton consiste em dois quarks up e um quark down, se somarmos suas cargas, isso dará exatamente sua carga: 2/3 + 2/3 – 1/3 = +1, a carga do próton . O mesmo vale para o nêutron, que consiste em um quark up e dois quarks down: 2/3 – 1/3 – 1/3 = 0, então o nêutron tem carga zero. Esse núcleo é cercado por outras partículas, que por sua vez são fundamentais e, portanto, não possuem constituintes e não podem ser divididas – elétrons – cuja carga elétrica é igual a -1. Se um átomo é do tamanho de um campo de futebol do Maracanã, seu núcleo é do tamanho de uma “bolinha” e seus elétrons são “partículas de poeira”. Mas todo esse espaço restante não está completamente vazio, mas é ocupado por campos gravitacionais e eletromagnéticos, ou seja, por pequenas flutuações quânticas da energia do vácuo. De acordo com The Weight of the World is Quantum Chromodynamics, as partículas que compõem o núcleo (quarks e glúons que os mantêm juntos) existem devido às flutuações do vácuo quântico, ou seja, a matéria é virtual e formada devido às flutuações do vácuo quântico em energia.
O buraco negro
A formação de estrelas, como o sol, ajuda a entender o surgimento dos buracos negros. Há cerca de 5 bilhões de anos, uma nuvem rodopiante de gás (com hidrogênio em sua composição) começou a se contrair gravitacionalmente devido à presença de uma enorme massa. Ele encolhe cada vez mais até que o hidrogênio começa a se fundir, queimando e liberando energia e radiação. Essa energia começa a equilibrar a gravidade.
Ou seja, por um lado, a pressão positiva exercida pela gravidade é equilibrada pela pressão negativa de energia e radiação liberada pela fusão do hidrogênio; é a fusão nuclear do hidrogênio que faz as estrelas brilharem.
À medida que o hidrogênio queima, ele se esgota e o hélio começa a aparecer, junto com outros elementos. Nosso sol tem hidrogênio suficiente para viver por mais 500 milhões de anos. No final da vida de uma estrela, seu combustível nuclear (hidrogênio) está quase esgotado, então o hidrogênio restante queima, e para estrelas de até 8 sóis de massa, ela acaba sendo uma anã branca.., como o fim do nosso sol .
Para estrelas com mais de oito vezes a massa do Sol, seu destino é se tornarem buracos negros. A estrela começa a encolher cada vez mais, e sua luz é cada vez mais curvada pela gravidade, aumentando à medida que a estrela encolhe. No final, a estrela se estabiliza em um estado final onde a gravidade é tão forte que nem a luz consegue escapar, ou seja, a estrela se estabiliza no buraco negro. Se nada pode exceder a velocidade da luz, de acordo com a relatividade especial, nada pode escapar da atração gravitacional de um buraco negro.
A região onde nada que entra não pode sair do buraco negro é chamada de horizonte de eventos. O físico Jacob Bekenstein teve a ideia de que a área do horizonte de eventos poderia ser uma medida da entropia de um buraco negro, mas descobriu que se o horizonte de eventos de um buraco negro é realmente uma medida de sua entropia, ele deveria ter um temperatura e, portanto, emitem radiação, o que é impossível para os buracos negros porque tudo o que entra não pode sair.
No entanto, verifica-se que o horizonte de eventos poderia ser uma possibilidade de medir a entropia de um buraco negro sem sequer ter que emitir algum tipo de radiação diretamente. Como não há vácuo absoluto, existem vários pares de partículas com antipartículas, todas virtuais, interagindo ao redor do buraco negro, onde a energia positiva de uma anula a energia negativa da outra e vice-versa.
As partículas de energia negativa são atraídas pela força gravitacional extremamente forte do buraco negro e caem nelas, liberando seus parceiros de energia positiva no espaço sideral. A energia negativa de uma partícula dentro de um buraco negro reduz parte de sua massa porque cancela parte da energia positiva da massa do buraco negro. As partículas liberadas de energia positiva aparecem para observadores distantes no espaço como se fossem emitidas por um buraco negro. Ou seja, as partículas de energia positiva não vêm diretamente do buraco negro, como pensam os observadores externos, mas sim do espaço exterior a eles.
Assim, a ideia de um “vácuo quântico” resolve esse problema, assumindo que o horizonte de eventos é uma medida da entropia de um buraco negro.
A radiação dos buracos negros é chamada de radiação Hawking, em homenagem ao físico britânico Stephen William Hawking, que teorizou como esses objetos emitem certa radiação.
para concluir
Podemos concluir que não existe vácuo absoluto, mas sim o estado de menor energia, o estado fundamental, no qual existem pares de partículas virtuais (partículas portadoras de força, como os grávitons, que medeiam a gravidade) entre si.
