Aluno do CBPF lança questão: o campo eletromagnético é a causa da aceleração cósmica?

A convite do Núcleo de Comunicação Social, Angelo E. S. Hartmann, mestrando-visitante da área de cosmologia do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), no Rio de Janeiro (RJ), discorre, no ensaio a seguir, sobre a possibilidade de o campo eletromagnético ser a fonte de energia responsável pela aceleração tardia do universo, tema de artigo recente aceito pelo periódico International Journal of Modern Physics A, assinado conjuntamente com Mario Novello, pesquisador emérito do CBPF e coorientador do pós-graduando.

A gravitação é uma interação fundamental da natureza. Toda porção de matéria (ou de energia) interage gravitacionalmente, inclusive a longas distâncias. Uma teoria da gravitação é, portanto, imprescindível a qualquer tentativa de descrição das propriedades globais do universo.

Diferentemente do campo eletromagnético ‒ que pode ser atrativo ou repulsivo, segundo o tipo de carga que um corpo carrega ‒, o campo gravitacional é sempre atrativo. Por essa razão, poderíamos ser levados a concluir que o universo não deveria apresentar fase posterior de expansão acelerada.

O fato, porém, de a natureza revelar o contrário é interpretado mediante a hipótese de que uma fonte de energia desconhecida possa ter predominado sobre a energia gravitacional. Essa fonte ‒ denominada ‘energia escura’ ‒ foi transformada, nas últimas décadas, em um dos paradigmas da cosmologia oficial e expressão midiática máxima do discurso científico sobre o cosmos.

Refiro-me a ‘paradigma’ no sentido estrito atribuído por Thomas Kuhn (1922-1996): o conjunto de problemas e métodos legítimos delineados pelos livros-textos oficiais e suficientemente abertos para que os praticantes daquela atividade científica possam trabalhar sem alterar seus fundamentos. Tal definição pode ser encontrada, por exemplo, nas primeiras páginas de A estrutura das revoluções científicas. O período sob a vigência de paradigmas é o que Kuhn denomina ‘ciência normal’, por oposição à ‘ciência revolucionária’. De fato, paradigma é um conceito capaz de capturar a atitude científica atual.

Dito isso, a questão que deve ser criticamente enfrentada quando colocamos em discussão os fundamentos da cosmologia é: já estão esgotados todos os recursos que a tradição da física clássica nos legou, isto é, todas as interações possíveis entre os dois campos clássicos fundamentais, o gravitacional e o eletromagnético? Trata-se de maior e mais abrangente acúmulo de dados observacionais ou de uma nova compreensão qualitativa dos princípios que sustentam as teorias vigentes?

Diferentemente do que afirmaram proeminentes físicos ligados à escola de Copenhagen, na primeira metade do século passado, a física clássica está longe de ser considerada exaurida, do ponto de vista das questões abertas da cosmologia.

Interações não mínimas

A partir do final da década de 1970, dois institutos tornaram-se pioneiros na investigação da interação direta da gravitação com outros campos fundamentais: o Instituto Landau, de Moscou, e o CBPF.

Da primeira instituição, os pesquisadores russos Vitaly Melnikov e Sergei Orlov consideraram a possibilidade de a gravitação interagir diretamente com um campo escalar ‒ para nossos propósitos aqui, podemos pensar este último como uma distribuição de valores para cada ponto do espaço, como a que caracteriza a temperatura de uma superfície.

No entanto, considerar tal tipo de interação é o mesmo que propor uma violação do chamado ‘princípio de acoplamento mínimo’ entre os campos gravitacional e eletromagnético, um dos pilares da teoria da relatividade geral de Albert Einstein (1879-1955). Com esse princípio pretendia-se, originalmente, que a gravitação não alterasse, localmente, as leis físicas terrestres.

No CBPF, Mario Novello, pesquisador emérito, e José Martins Salim, pesquisador titular (aposentado), consideraram a possibilidade de a gravitação interagir diretamente com o campo eletromagnético, isto é, por meio de um acoplamento ‘não mínimo’.

Deve-se ressaltar que, à época, ambos os grupos discutiam outra questão fundamental da cosmologia: a existência de soluções internas à teoria da relatividade geral sem singularidade inicial. Isso porque as soluções dependentes do princípio de acoplamento mínimo implicam um ponto matemático no qual a densidade de energia, por exemplo, se torna infinita e, portanto, indescritível pela mesma teoria física que fundamenta tal solução. A esse ponto, associou-se, pela teoria do Big Bang, a origem do universo.

Nova fonte de energia

Desde então, ao longo das últimas quatro décadas, o estudo de acoplamentos não mínimos tornou-se um programa de pesquisa que investiga, por outra perspectiva, os problemas abertos na cosmologia. Entre eles, o problema da expansão acelerada do universo.

O artigo ‘Is the electromagnetic field responsible for the cosmic acceleration in late times?’ ‒ aceito para publicação e fruto de estudos que venho desenvolvendo sob a orientação de Mario Novello é parte desse programa.

A interação não mínima da gravitação com o campo eletromagnético gera uma fonte de energia que deixa de ser puramente eletromagnética e passa a ser uma combinação desta com a curvatura do espaço-tempo. Trata-se, portanto, de uma reinterpretação daquilo que convencionalmente é chamado, na cosmologia, fonte de energia.

Podemos ressaltar ao menos três aspectos relevantes dessa nova fonte de energia. A primeira é que ela consiste tão somente de campos físicos conhecidos, o gravitacional e o eletromagnético. Segundo, a interação da gravitação com o campo eletromagnético torna-se responsável por gerar uma aceleração do universo em tempos tardios, ou seja, a aceleração da presente época cósmica. E terceiro, o aspecto desejável a qualquer nova teoria: é possível recuperar, no limite em que a interação não mínima é muito fraca, a teoria vigente.

Recebemos correspondências de outros grupos de pesquisa, cujo exame do papel que o campo eletromagnético exerce na cosmologia converge com o que obtivemos.

A questão que, de imediato, tal resultado coloca é: como sustentar, racionalmente, que a aceleração do universo é causada por uma fonte de energia desconhecida ‒ como a ‘energia escura’ ‒, se é possível afirmar que tal aceleração é gerada pela interação da gravitação com o campo eletromagnético?

A possibilidade de dar um passo além da teoria da relatividade geral ‒ sem introduzir artifícios desconhecidos e reproduzindo a teoria vigente ‒ é, racionalmente, mais satisfatório que lançar mão de uma hipótese ad hoc, como transparece a adoção da energia escura perante o problema da aceleração do universo. É possível discutir o avanço do conhecimento científico acerca do universo para além da substituição de um paradigma por outro. Basta, para tanto, manter abertos os caminhos já conhecidos.

Angelo E. S. Hartmann

Pós-graduando

CBPF

Mais informações:

CV Lattes: http://lattes.cnpq.br/5305216937329436

Artigo (arXiv.org): https://arxiv.org/abs/1903.10351