Artigo original por Ron Cowen no site Nature
Cientistas chegam mais perto do que nunca de criar uma imitação de buraco negro em escala de laboratório que emitem radiação Hawking, partículas que devem escapar de buracos negros devido a efeitos da mecânica quântica.
O análogo ao buraco negro, foi criado prendendo ondas sonoras em um fluido ultra frio. Tais objetos podem, um dia, ajudar a resolver o chamado ‘paradoxo da informação’ dos buracos negros – a questão de se a informação que cai em um buraco negro desaparece para sempre.
O físico Stephen Hawking chocou cosmólogos há 40 anos quando anunciou que buracos negros não completamente negros, calculando que uma pequena quantidade de radiação pode escapar de sua atração. Isso levantou a questão de que talvez a informação também escape, codificada na radiação.
A radiação Hawking se baseia em um princípio básico da teoria quântica – grandes flutuações de energia podem ocorrer por breves períodos de tempo. Isso significa que o vácuo do espaço não é vazio mas fervilha de partículas e seus equivalentes de antimatéria. Pares de partículas e antipartículas continuadamente surgem de repente para apenas aniquilar umas às outras. Mas algo especial ocorre quando partículas emergem próximas ao horizonte de eventos – o contorno ao redor do buraco negro, onde a gravidade é tão forte que dobra o espaço-tempo. O par partícula-antipartícula se separa, e a partícula mais próxima ao horizonte de eventos cai para dentro do buraco negro enquanto a outra escapa.
A radiação Hawking, o resultado de tentativas de combinar a teoria quântica com a relatividade geral, abrange essas partículas que escapam, mas físicos ainda não as detectaram emissões de um buraco negro astrofísico. Outra maneira de testar a teoria de Hawking seria simular um horizonte de eventos em laboratório.
Para este fim, Jeff Steinhauer, um físico da Instituto de Tecnologia Technion-Israel em Haifa, usou uma porção de átomos de rubídio à menos de um bilionésimo de grau sobre o zero absoluto (-273ºC). A essa temperatura, os átomos ficam rijamente apertados e agem com um único objeto fluido quântico e pode ser facilmente manipulado. A fria temperatura também assegura que o fluido chamado de condensado de Bose-Einstein, provém um meio silencioso para a passagem de ondas sonoras que surgem de flutuações quânticas.
Usando um laser, Steinhauer manipulou o fluido para fluir mais rápido que a velocidade do som. Como um nadador batalhando contra uma forte corrente, as ondas sonoras que se propagavam contra a direção do fluido ficavam ‘presas’. O condensado então se tornou um substituto para um horizonte de eventos gravitacional.
Pares de ondas sonoras surgem e desaparecem em um vácuo de laboratório, imitando os pares partícula-antipartícula no vácuo espacial. Isso que se formou no horizonte de eventos sônico se tornou o equivalente à radiação Hawking. Para amplificar essas ondas sonoras o suficiente para os detectores as detectarem, Steinhauer criou um segundo horizonte de eventos sônico dentro do primeiro, ajustando o fluido para que as ondas não passassem dele, mas fossem ricocheteadas. Assim que as ondas repetidamente acertam o horizonte exterior, elas criam mais pares de ondas, amplificando a radiação Hawking para níveis detectáveis.
Alguns pesquisadores dizem que não é claro quão próximo esse modelo de laboratório, que Steinhauer levou cinco anos para aperfeiçoar, imita a radiação Hawking. A amplificação no modelo de Steinhauer o permite detectar apenas uma frequência da radiação, então ele não pode ter certeza se ele possui as mesmas intensidades previstas pela previsão de Hawking em diferentes frequências que a verdadeira radiação Hawking teria.
Steinhauer agora está trabalhando para desenvolver a tecnologia para estudar o buraco negro artificial sem ter que amplificar a radiação sônica. Isso pode permiti-lo usar sua ‘radiação Hawking’ para explorar o paradoxo da informação.
Isso também pode ajudar físicos em sua questão para reconciliar mecânica quântica com a gravidade, a única fora da natureza não acomodada dentro da mecânica quântica. Devido à radiação Hawking ser baseada tanto na mecânica quântica quanto na relatividade geral, isso é um primeiro passo em abordar uma forma de juntar as duas – e um buraco negro artificial pode prover uma oportunidade de estudar como isso pode ser feito.
A física experimental Daniele Faccio da Universidade Heriot-Watt em Edimburgo disse que o trabalho é “possivelmente a mais robusta e clara evidência” de que modelos de laboratório podem emular fenômenos com uma relação entre relatividade geral e mecânica quântica. EM 2010, Faccio e seus colegas anunciaram que encontraram um análogo à radiação Hawking, mas a equipe desde então reconhece que o que viram era um fenômeno diferente.
No entanto o físico Ted Jacobson da Universidade de Marylanda, que sugeriu em 1999 que análogos à radiação Hawking poderiam ser vistos em laboratório, disse que a possibilidade de recolher novas percepções sobre buracos negros do experimento supersônico continuam “muito longe”, ainda. Para Jacobson, o valor do experimento reside na exploração de átomos ultrafrios.
Mas mesmo se a radiação sônica não seja uma correspondência perfeita, William Unruh, físico teórico da Universidade de Columbia afirma que é “o mais perto que alguém já chegou” de detectar radiação Hawking. “Eu acho um experimento muito interessante e empolgante,” ele diz.
