No senso comum, o vácuo é considerado como ausência total de algo, seja de matéria ou de energia. No entanto, o vácuo é, na verdade, o estado de menor energia possível de um campo quântico. Dentro desse vácuo há flutuações quânticas, campos fundamentais permeando tudo e até formação de pares de partículas e antipartículas. Esses campos possuem valores de energia mesmo quando estão em seu estado fundamental.
Um dos campos que ficou bastante famoso nas últimas décadas é o campo de Higgs que é responsável por dar massa às partículas elementares. O valor esperado do campo de Higgs no vácuo define o estado de equilíbrio em que o Universo se encontra. No entanto, medidas, como a massa do bóson de Higgs e do quark top, sugerem que esse estado pode não ser o de energia mínima absoluta. Ou seja, o vácuo atual pode não ser o “verdadeiro vácuo”, mas um estado de energia maior.
Se o Universo está em um estado de energia maior que não é o fundamental, isso indicaria que o Universo pode estar em um estado chamado de metaestável. Como ele não é o mínimo absoluto, esse estado poderia decair para um vácuo mais estável por causa de um flutuação quântica extrema ou evento energético. Esse evento seria chamado de decaimento do vácuo e funcionaria como um efeito dominó onde o decaimento se espalharia com a velocidade da luz.
O que é o vácuo?
O vácuo representa o estado quântico de menor energia possível de todos os campos fundamentais do Universo. Mesmo nesse estado, o vácuo é dinâmico como, por exemplo, partículas e antipartículas surgindo e desaparecendo constantemente devido às flutuações quânticas. Essas flutuações têm efeitos observáveis, como o efeito Casimir e a polarização do vácuo.
Além disso, o vácuo possui uma densidade de energia associada que está relacionada à constante cosmológica e à expansão do Universo. Cada campo possui um valor de expectativa no vácuo, e esse valor define as propriedades das partículas e interações. No caso do campo de Higgs, por exemplo, o valor de expectativa não nulo do vácuo é o que dá massa às partículas.
Campo de Higgs
O campo de Higgs ficou bastante conhecido após a descoberta do bóson de Higgs em 2012, anunciado pelo Large Hadron Collider (LHC). Esse campo é um campo quântico fundamental que permeia todo o espaço e está ligado à origem da massa das partículas fundamentais. De acordo com o Modelo Padrão, as partículas interagem com o campo de Higgs, e essa interação gera inércia e percebemos isso como massa. Quanto mais intensa é a interação de uma partícula com o campo, maior é sua massa.
O campo de Higgs também está associado à energia do vácuo, pois possui um valor de expectativa não nulo mesmo em seu estado fundamental. Essa energia do vácuo pode estar relacionada até mesmo à constante cosmológica observada. No entanto, há uma diferença entre o valor previsto pela teoria quântica de campos e o valor calculado e observado em experimentos e observações.
Decaimento do vácuo
Com essa diferença, abre espaço para um fenômeno conhecido como decaimento do vácuo. O decaimento do vácuo descreve a possibilidade de o estado atual do vácuo quântico não ser o verdadeiro estado fundamental do Universo. Por causa disso, nós vemos diferenças entre valores esperados com os valores observados. Com isso, flutuações quânticas suficientemente grandes poderiam permitir que uma região do espaço decaísse para esse estado mais estável.
Quando esse processo se iniciasse, iria começar uma transição espontânea para um novo vácuo com propriedades físicas diferentes. Esse processo seria um efeito dominó e se expandiria à velocidade da luz, convertendo todo o espaço no novo estado de vácuo. As leis da Física deixariam de valer dentro dessa bolha, já que as constantes fundamentais e os campos associados assumiriam novos valores.
Estamos em um estado metaestável?
O que nos leva a pergunta se seria realmente possível que o Universo estivesse em um estado metaestável. Observações e medições das propriedades do bóson de Higgs e do quark top indicam que sim. Os valores atuais das massas dessas partículas, obtidos em experimentos no LHC, sugerem que o mínimo de energia associado ao campo de Higgs não é o verdadeiro mínimo global, mas apenas um mínimo local.
Isso significa que existe outro estado de energia ainda mais baixa, ou seja, um “vácuo verdadeiro” para o qual o Universo poderia, em princípio, decair. Apesar disso, as mesmas estimativas indicam que a probabilidade desse decaimento ocorrer em um futuro próximo é praticamente nula. O tempo de vida esperado desse estado metaestável supera em muitas ordens de magnitude a idade atual do Universo. Em outras palavras, o vácuo em que vivemos é estável o suficiente para persistir por muito mais tempo.
