Uma teia de aranha de buracos de minhoca poderia resolver um paradoxo fundamental proposto pela primeira vez por Stephen Hawking

O paradoxo da informação em buracos negros era aparentemente sem solução.

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Se a informação não pode ser destruída, o que acontece quando um buraco negro, que engoliu um "mega-balão" cheio de informações, desaparece? Créditos: Alberto Gagliardi / Getty Images.

Por Paul Sutter
Publicado na Live Science

Um paradoxo de buracos negros aparentemente sem solução proposto pela primeira vez pelo físico Stephen Hawking poderia finalmente ser resolvido – por buracos de minhoca através do espaço-tempo.

O “paradoxo da informação em buracos negros” refere-se ao fato de que a informação não pode ser destruída no universo e, no entanto, quando um buraco negro eventualmente evapora, qualquer informação que tenha sido engolida por esse aspirador de pó cósmico deveria ter desaparecido há muito tempo. O novo estudo propõe que o paradoxo pode ser resolvido pelo último macete da natureza: buracos de minhoca, ou passagens pelo espaço-tempo.

“Um buraco de minhoca conecta o interior do buraco negro e a radiação externa, como uma ponte”, disse Kanato Goto, físico teórico do Programa Interdisciplinar de Ciências Teóricas e Matemáticas de RIKEN no Japão, em um comunicado.

Sob a teoria de Goto, uma segunda superfície aparece dentro do horizonte de eventos de um buraco negro, o limite além do qual nada pode escapar. Filamentos de um buraco de minhoca conectam essa superfície ao mundo exterior, entrelaçando informações entre o interior do buraco negro e os vazamentos de radiação em suas bordas.

Paradoxo da informação em buracos negros

Na década de 1970, Hawking descobriu que os buracos negros não são exatamente negros, mas a princípio ele não percebeu o problema gigante que havia criado. Antes de sua descoberta, os físicos supunham que os buracos negros eram extremamente simples. Claro, todos os tipos de coisas complexa caíam neles, mas os buracos negros trancavam todas essas informações, para nunca mais serem vistas.

Mas Hawking descobriu que os buracos negros liberam radiação e podem eventualmente evaporar completamente, em um processo agora conhecido como radiação Hawking. Mas essa radiação não carregava nenhuma informação em si. Na verdade, não podia; por definição, o horizonte de eventos de um buraco negro impede que as informações saiam. Então, quando um buraco negro finalmente evapora e desaparece do universo, para onde foram todas as suas informações trancadas?

Este é o paradoxo da informação em buracos negros. Uma possibilidade é que a informação possa ser destruída, o que parece violar tudo o que sabemos sobre física. (Por exemplo, se a informação pode ser perdida, então você não pode reconstruir o passado a partir de eventos presentes, ou prever eventos futuros). Em vez disso, a maioria dos físicos tenta resolver o paradoxo encontrando alguma maneira – qualquer maneira – para que as informações dentro do buraco negro vazem através da radiação Hawking. Dessa forma, quando o buraco negro desaparece, a informação ainda está presente no universo.

De qualquer forma, descrever esse processo requer uma nova física.

“Isso sugere que a relatividade geral e a mecânica quântica, como são atualmente, são inconsistentes entre si”, disse Goto. “Temos que encontrar uma estrutura unificada para a gravidade quântica”.

Um conto de duas entropias

Em 1992, o físico Don Page, ex-aluno de pós-graduação de Hawking, viu o problema do paradoxo da informação de outra maneira. Ele começou olhando para o emaranhamento quântico, que é quando partículas distantes têm seus destinos ligados. Esse emaranhado atua como a conexão mecânica quântica entre a radiação Hawking e o próprio buraco negro. Page mediu a quantidade de emaranhamento calculando a “entropia de emaranhamento”, que é uma medida da quantidade de informação contida na radiação Hawking emaranhada.

No cálculo original de Hawking, nenhuma informação escapa, e a entropia de emaranhamento sempre aumenta até que o buraco negro finalmente desapareça. Mas Page descobriu que se os buracos negros realmente liberam informações, a entropia de emaranhamento inicialmente cresce; então, na metade da vida do buraco negro, diminui antes de finalmente chegar a zero, quando o buraco negro evapora (o que significa que toda a informação dentro do buraco negro finalmente escaparia).

Se os cálculos de Page estiverem corretos, isso sugere que, se os buracos negros permitem que a informação escape, então algo especial tem que acontecer na metade do caminho de suas vidas. Embora o trabalho de Page não tenha resolvido o paradoxo da informação, deu aos físicos algo interessante para trabalhar. Se eles pudessem dar aos buracos negros uma crise de meia-idade, essa solução poderia resolver o paradoxo.

Pelo buraco de minhoca

O buraco negro Cygnus X-1 está puxando material de uma enorme estrela azul companheira. Uma vez que esse material atinge o horizonte de eventos, não há como escapar, certo? Créditos: NASA / CXC.

Mais recentemente, várias equipes de teóricos têm aplicado técnicas matemáticas emprestadas da teoria das cordas – uma abordagem para unificar a relatividade de Einstein com a mecânica quântica – para examinar esse problema. Eles estavam examinando como o espaço-tempo perto de um horizonte de eventos pode ser mais complexo do que os cientistas pensavam inicialmente. Quão complexo? O mais complexo possível, permitindo qualquer tipo de curva e flexão em escala microscópica.

Seu trabalho levou a duas características surpreendentes. Uma foi o aparecimento de uma “superfície extrema quântica” logo abaixo do horizonte de eventos. Esta superfície interior modera a quantidade de informação que sai do buraco negro. Inicialmente, não faz isso em grandes quantidades. Mas quando o buraco negro está na metade de sua vida, ele começa a dominar o emaranhamento, reduzindo a quantidade de informação liberada, com a entropia de emaranhamento atendendo as previsões de Page.

Em segundo lugar, os cálculos revelaram a presença de buracos de minhoca – muitos deles. Esses buracos de minhoca pareciam conectar a superfície quântica extrema ao exterior do buraco negro, permitindo que a informação contornasse o horizonte de eventos e fosse liberada como radiação Hawking.

Mas esse trabalho anterior foi aplicado apenas a modelos simulados altamente simplificados (como versões unidimensionais de buracos negros). Com o trabalho de Goto, esse mesmo resultado passou a ser aplicado a cenários mais realistas — um grande avanço que aproxima este trabalho da explicação da realidade.

Ainda assim, há muitas perguntas. Por um lado, ainda não está claro se os buracos de minhoca que aparecem na matemática são os mesmos buracos de minhoca que consideramos atalhos no tempo e no espaço.

Eles estão tão profundamente ligados à matemática que é difícil determinar seu significado físico. Por um lado, pode significar que buracos de minhoca literais entram e saem de um buraco negro em evaporação. Ou pode ser apenas um sinal de que o espaço-tempo perto de um buraco negro não é local, o que é uma marca registrada do emaranhamento – duas partículas emaranhadas não precisam estar em contato causal para se influenciarem.

Uma das outras questões importantes é que, embora os físicos tenham identificado um possível mecanismo para amenizar o paradoxo, eles não sabem como ele realmente funciona. Não há nenhum processo conhecido que realmente realize o trabalho de pegar as informações que estão dentro de um buraco negro e codificá-las na radiação Hawking. Em outras palavras, os físicos construíram um caminho possível para resolver o paradoxo da informação, mas não encontraram nenhuma maneira de construir os transportes que percorrem esse caminho.

“Ainda não sabemos o mecanismo básico de como a informação é transportada pela radiação”, disse Goto. “Precisamos de uma teoria da gravidade quântica”.