A dupla vida dos Buracos Negros

Buracos negros perfeitos são ferramentas matemáticas versáteis. Apenas não os confunda com a coisa real.

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Imagem: James O’Brien.

Por Sabine Hossenfelder
Publicado na Quanta Magazine

Há buracos negros astrofísicos e, depois, matemáticos. Buracos negros astrofísicos ficam em centros galácticos, emitem jatos de plasma quente e, ocasionalmente, engolem estrelas. Você já ouviu falar desses. Os buracos negros matemáticos, por outro lado, servem como foco dos experimentos mentais dos físicos. Eles não são formados de estrelas em colapso, eles existem para sempre, e eles se sentam em um universo vazio. Eles podem ser infinitamente grandes, ter espelhos perfeitos ao seu redor ou se estender a seis dimensões do espaço. Você também ouviu falar disso, mas talvez não tenha percebido.

A história dos buracos negros começou em 1916, quando Karl Schwarzschild descobriu uma solução para as equações da relatividade geral de Einstein capazes de capturar a luz. A característica do buraco negro de Schwarzschild — e de todos os buracos negros descobertos mais tarde — é a presença de um “horizonte de eventos”, a superfície de uma região de dentro da qual nada pode escapar. Depois de cruzar um horizonte de eventos, você fica preso para sempre.

Inicialmente, os físicos pensavam na descoberta de Schwarzschild como uma curiosidade teórica, uma possibilidade puramente matemática que não ocorreria na natureza. Mas em 1935, Subrahmanyan Chandrasekhar mostrou que quando uma grande estrela fica sem combustível nuclear, sua pressão é insuficiente para neutralizar a atração gravitacional. Neste caso, nada pode impedir que a estrela desmorone em um buraco negro. Com Chandrasekhar, os buracos negros tornaram-se uma possibilidade científica.

Ainda assim, os físicos ignoraram em grande parte os buracos negros, acreditando que fazer um exigiria uma configuração cuidadosamente ajustada, e que circunstâncias realistas não levariam a um colapso gravitacional incontrolável. No entanto, o oposto acabou por ser o caso. Na década de 1960, Stephen Hawking e Roger Penrose provaram que buracos negros podem ser criados em colapso estelar em circunstâncias bastante gerais. Que uma estrela massiva e queimada forma um buraco negro, mostraram seus cálculos, é a norma, não a exceção.

De fato, em meados da década de 1990, observações do centro de nossa Via Láctea revelaram um objeto (Sagitário A *) para o qual nenhuma outra explicação além de um buraco negro parecia plausível. E nos últimos 20 anos, evidências de buracos negros se tornaram esmagadoras. Os astrofísicos descobriram que não apenas nossa galáxia, mas também a maioria das galáxias, as abrigam. Buracos negros foram vistos a comer gás e estrelas e atuar como lentes gravitacionais. Sua existência não é mais controversa.

Enquanto isso, os buracos negros desenvolveram uma segunda vida. Em 1972, Jakob Bekenstein descobriu que a área de superfície de um buraco negro corresponde a uma entropia, uma quantidade geralmente associada a gases. Essa conexão notável entre termodinâmica e gravidade foi reforçada quando, em 1974, Stephen Hawking concluiu que os buracos negros têm temperatura e evaporam.

A descoberta de Hawking de que os buracos negros evaporaram causou uma dor de cabeça aos físicos teóricos. Isso porque a radiação emitida pelos buracos negros não contém informações. Então, se um buraco negro entrar em colapso e depois se evaporar completamente, parece que a informação que ele continha foi destruída. Isso, no entanto, seria incompatível com a teoria quântica, segundo o qual a informação deve ser preservada.

Esse “problema de informação do buraco negro” é, por enquanto, um enigma puramente matemático, porque a temperatura dos buracos negros astrofísicos é pequena demais para ser observável. Os buracos negros reais não evaporarão até centenas de bilhões de anos no futuro. Mas físicos teóricos acham que resolver o problema da informação os ajudará a entender as propriedades quânticas do espaço e do tempo e, portanto, permitir que eles encontrem uma teoria da “gravidade quântica”. Resolver o problema da informação do buraco negro é uma das referências que uma teoria da gravidade quântica deve passar.

Como não podemos estudar buracos negros em um laboratório, os teóricos usaram experimentos mentais para entender o destino de uma partícula que cruza o horizonte. Esses experimentos mentais são altamente abstratos. Os observadores não têm massa. Os detectores não precisam de calibração. Os buracos negros não têm gás girando em torno deles. Em tais situações idealizadas, os teóricos tentaram calcular o que acontece com um único quantum de informação que cai em um buraco negro. A partir disso, eles aprenderam que os buracos negros são habilidosos malabaristas de informações, capazes de distribuir e embaralhar bits com mais eficiência do que qualquer outro sistema conhecido.

A matemática é rica e forneceu ideias surpreendentes. Por exemplo, a teoria da relatividade geral de Einstein pode ser usada em qualquer número de dimensões do espaço. E os teóricos descobriram que quanto maior o número de dimensões, mais tipos de buracos negros existem. Em três dimensões do espaço, temos apenas buracos negros esféricos. Em quatro ou mais dimensões do espaço, no entanto, poderíamos ter buracos negros em forma de anel. Também poderíamos ter hastes pretas ou múltiplos horizontes desconectados, como vários anéis ou anéis ao redor das esferas — “Saturnos negros”.

Priyamvada Natarajan explica o papel dos buracos negros supermassivos na estrutura e evolução do universo.

Os teóricos das cordas, além disso, gostam de estudar buracos negros em universos com uma constante cosmológica negativa (os chamados espaços Anti-de Sitter). Nosso universo atual tem uma constante cosmológica positiva. Mas se a constante cosmológica é negativa, os horizontes dos buracos negros podem ser planos infinitamente estendidos. Além de dimensões superiores e uma constante cosmológica negativa, os teóricos também preferem os buracos negros que existiram para sempre, e eles equilibram a perda de massa da radiação, assumindo que uma quantidade igual de matéria cai.

Estas são situações altamente abstratas que nunca iremos observar no universo real. Mas físicos teóricos acham que olhar para buracos negros matemáticos em espaços com uma constante cosmológica negativa pode ter benefícios em outras áreas além da astrofísica. Como consequência de uma conjectura apresentada por Juan Maldacena em 1997, a matemática dos buracos negros em tais espaços pode descrever coleções de partículas que interagem fortemente.

É assim que você pode ter ouvido falar de buracos negros matemáticos: eles são uma forma de modelar o comportamento de plasmas de quarks e glúons ou metais “estranhos” (chamados de “estranhos” porque são difíceis de entender com os tratamentos matemáticos comuns). Em desenvolvimentos mais recentes, os buracos negros matemáticos têm sido empregados para estudar o caos e a complexidade em certos sistemas quânticos. Se esses cálculos resultarão em previsões úteis, ainda é preciso ver. Mas, sem dúvida, acrescentaram novas ferramentas ao kit de ferramentas matemáticas e, quem sabe, talvez um dia encontraremos um prego para o martelo.

Os buracos negros matemáticos permitiram que físicos teóricos encontrassem elos entre áreas de sua disciplina antes consideradas desconectadas: termodinâmica, gravidade, informação quântica e física da matéria condensada. Essas percepções podem ajudar a desenvolver uma teoria da gravidade quântica, ou dar origem a novos métodos para prever o comportamento de certos fluidos. Mas esta pesquisa está amplamente desconectada do estudo astrofísico dos buracos negros — questões sobre sua formação, distribuição, seus jatos e como eles se fundem. Em outras palavras, a questão de como explicar observações.

Tradução fornecida por Elton Wade a partir de seu projeto de divulgação científica.

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