Decaimento do falso vácuo: equipa da Universidade Tsinghua simula o fenómeno com átomos de Rydberg

Apesar de o nosso Universo dar sinais de estabilidade, é possível que essa aparente tranquilidade seja apenas provisória - e que possa quebrar num instante.

Em cosmologia e física de partículas, costuma dizer-se que o vácuo corresponde ao estado de menor energia do Universo. Ainda assim, há a hipótese de existir um estado ainda mais baixo em energia e, por isso, mais estável.

Se, em teoria, uma pequena região do espaço fizesse a transição para esse nível mais estável, essa “bolha” poderia crescer e alastrar-se à velocidade da luz, engolindo o Universo e reescrevendo as leis da física pelo caminho.

O que é o decaimento do falso vácuo

Este cenário é conhecido como decaimento do falso vácuo, uma das ideias mais inquietantes da teoria quântica - e uma equipa liderada por físicos da Universidade Tsinghua, na China, encontrou agora uma forma de o simular em laboratório.

A pergunta óbvia é: porquê tentar reproduzir algo assim? Em primeiro lugar, o decaimento do falso vácuo só implica a destruição do Universo tal como o conhecemos em alguns cenários teóricos. Para além disso, trata-se de um fenómeno que vive precisamente na zona de contacto entre a teoria quântica e a relatividade, o que o torna útil para explorar as diferenças - ainda por conciliar - entre estas duas descrições da realidade.

Porque liga a teoria quântica e a relatividade

A relatividade descreve de forma extraordinariamente eficaz o funcionamento da física no Universo em grande escala e a velocidades elevadas. No entanto, quando se desce ao domínio do muito pequeno - o mundo quântico ao nível atómico e subatómico - a relatividade deixa de ser a ferramenta adequada para explicar o comportamento da matéria.

Para essas escalas, a melhor estrutura disponível é a teoria quântica de campos, que modela a forma como campos quânticos e partículas interagem.

Enquanto cada uma destas teorias opera no seu “território”, tudo corre bem; mas em condições extremas, as fronteiras esbatem-se, as duas descrições sobrepõem-se e a situação complica-se. Não existe, por enquanto, uma estrutura única que unifique plenamente ambos os domínios - e é por isso que os físicos procuram estudar pontos de sobreposição, na esperança de encontrar pistas para uma teoria comum.

Uma das previsões da teoria quântica de campos é que não existe um vácuo perfeito. Aquilo a que chamamos o vácuo do espaço é, na prática, o estado de menor energia de um campo quântico.

Se o “mapa” de energias desse campo tiver vários mínimos locais (vários vales de baixa energia), esses vales podem corresponder a falsos vácuos, capazes de transitar para um vácuo verdadeiro (um estado ainda mais baixo em energia).

Imagine uma paisagem com vários lagos, uns mais profundos do que outros. E, algures por baixo, um reservatório ainda mais fundo. Se se abrisse um túnel no fundo de um desses lagos, a água escoaria para esse reservatório mais profundo.

No vácuo do espaço, porém, um processo análogo não ficaria confinado. Em vez de “escoar”, uma região minúscula do espaço mudaria para o estado de energia inferior, formando uma espécie de bolha.

E essa bolha não ficaria parada: se ultrapassasse um tamanho crítico, expandir-se-ia para fora a uma velocidade próxima da luz, convertendo tudo o que tocasse nesse novo estado.

É aqui que o fenómeno se posiciona entre a física quântica e a relatividade. O “túnel” inicial para o estado mais baixo é um processo quântico; já as consequências desenrolam-se nas maiores escalas concebíveis, com uma expansão capaz de alterar o Universo inteiro.

Nenhuma das teorias, isoladamente, descreve o processo por completo. Para compreender o decaimento do falso vácuo, é necessário recorrer tanto à teoria quântica de campos como à relatividade.

A simulação com átomos de Rydberg

É neste ponto que entra a experiência de laboratório. E não - não envolveu “mexer” directamente no vácuo do espaço para o virar do avesso. Em vez disso, os investigadores recorreram a um substituto experimental: um anel de átomos de Rydberg.

Num átomo normal, existe um núcleo rodeado por uma nuvem de electrões. Se fornecermos um pouco de energia ao átomo, essa nuvem “incha” ligeiramente, tornando o átomo um pouco maior e menos rígido.

Um átomo de Rydberg surge quando se adiciona muita energia, mas em condições que ainda permitem ao átomo manter os seus electrões. O resultado é um átomo invulgarmente grande - com muitos micrómetros de diâmetro - em que os electrões ficam tão fracamente ligados quanto possível sem se libertarem.

Por estarem tão pouco presos, os átomos de Rydberg exibem comportamentos muito mais acentuados do que os átomos comuns, o que os torna especialmente valiosos para experiências.

Nesta investigação, foi colocado um número par de átomos de Rydberg mutuamente repulsivos num anel. Com essa geometria, cada átomo adopta um alinhamento do momento angular intrínseco oposto ao dos seus vizinhos, gerando um padrão simétrico e alternado ao longo do anel.

De seguida, os cientistas excitaram os átomos com lasers, quebrando essa simetria. Com a simetria quebrada, o anel pôde existir em dois padrões distintos, com estados de energia muito próximos: um a representar o falso vácuo e outro o vácuo verdadeiro.

O que o resultado confirma

A partir daí, este anel ligeiramente caótico passaria a “decair” na direcção de um estado fundamental preferencial, a uma taxa que varia com a intensidade do laser responsável por quebrar a simetria.

Este comportamento está de acordo com o mecanismo mais aceite para explicar o decaimento do falso vácuo: a nucleação de uma bolha quântica que contém o vácuo verdadeiro. Em termos simples, condições que facilitam a formação da bolha tornam a transição mais provável.

A experiência não revela, por si só, um facto inteiramente novo sobre o decaimento do falso vácuo. Ainda assim, serve para validar previsões teóricas acerca de como o processo se desenrolaria.

Isto significa que o sistema de átomos de Rydberg criado pela equipa se transforma num novo “campo de testes” para investigar o ponto de encontro turbulento onde a física quântica e a relatividade colidem.

Talvez, um dia, este tipo de simulação também ajude a perceber até que ponto devemos preocupar-nos com a possibilidade de o Universo, de repente, se transformar em algo totalmente diferente.

O artigo científico foi publicado na revista Cartas de Revisão Física.