Cientistas na Europa conseguiram simular um processo conhecido como decaimento do falso vácuo, um evento hipotético que poderia, um dia, significar o fim do universo. O experimento, realizado com átomos ultrafrios em laboratório, oferece o primeiro vislumbre experimental de um dos cenários mais catastróficos previstos pela física teórica.
O decaimento do falso vácuo está enraizado na ideia de que nosso universo pode não estar no estado de energia mais baixo possível. Em vez disso, ele poderia estar em um estado metastável — o que os físicos chamam de “falso vácuo”. Este estado pode parecer estável, mas uma transição para um verdadeiro vácuo representaria uma configuração mais estável e de menor energia.
Como o decaimento do falso vácuo foi simulado?
O novo experimento foi conduzido por pesquisadores na Itália e no Reino Unido, utilizando um gás de átomos de sódio-23 (Na-23) aprisionados opticamente. Os átomos foram resfriados a quase zero absoluto, formando um superfluido ferromagnético que permitiu à equipe simular a física do decaimento do vácuo em escala laboratorial.
A chave para o experimento foi a criação de uma paisagem de energia de poço duplo, que permitiu ao sistema ocupar um estado metastável semelhante a um falso vácuo. O sistema foi levado para fora do equilíbrio usando radiação de micro-ondas que induziu transições entre dois estados atômicos internos, rotulados como “para cima” e “para baixo”.
O que são as bolhas de verdadeiro vácuo?
Essas bolhas são o análogo experimental das bolhas de verdadeiro vácuo no universo primitivo — regiões onde o sistema atravessa uma barreira de energia para um estado mais estável. Para observar o decaimento do vácuo simulado, os pesquisadores repetidamente capturaram imagens da magnetização espacial da nuvem atômica ao longo do tempo.
O time descobriu que, à medida que o sistema permanecia em um estado metastável, “uma região macroscópica na parte central do sistema se inverte, gerando uma bolha”. A probabilidade de aparecimento dessa bolha aumentava com o tempo, mostrando uma dependência exponencial dos parâmetros do sistema — consistente com as previsões teóricas.
Quais as implicações do experimento?
O experimento apoia o modelo instanton, uma abordagem teórica usada para descrever eventos de tunelamento de vácuo. De acordo com este modelo, o tempo necessário para a formação de uma bolha é governado pela barreira de energia que separa os dois estados, juntamente com um parâmetro que reflete a temperatura efetiva do sistema.
Os resultados experimentais e de simulação mostraram que a formação de bolhas segue uma lei de escala exponencial dependente de quão próximo o sistema está do valor crítico de desvio. Notavelmente, as simulações incorporaram ruído clássico para imitar os efeitos das flutuações térmicas, e os resultados foram notavelmente consistentes com os dados experimentais.
O futuro da pesquisa em decaimento do falso vácuo
Esta pesquisa marca um avanço significativo no uso de sistemas de átomos frios para explorar fenômenos normalmente confinados ao domínio da física de altas energias e cosmologia. Os autores escrevem que a “plataforma experimental abre caminho para explorar o processo de formação e crescimento de bolhas em detalhes intrincados”, abrindo novas avenidas para o estudo da metastabilidade, transições de fase e dinâmicas do universo primitivo.
Direções futuras propostas pelos pesquisadores incluem a engenharia do sistema para semear bolhas de forma determinística ou injetar ruído controlado para investigar o impacto da dissipação e do entrelaçamento. Eles também sugerem que explorar dinâmicas semelhantes em dimensões superiores ou em temperaturas mais baixas poderia aproximá-los da observação do decaimento do vácuo impulsionado por flutuações quânticas puras.
