Pergunte a Ethan: A energia escura significa que estamos perdendo informações sobre o Universo?
Os diferentes destinos possíveis do Universo, com nosso destino real e acelerado mostrado à direita. Crédito de imagem: NASA & ESA, via http://www.spacetelescope.org/images/opo9919k/ .
Se os buracos negros perdem informações em um horizonte de eventos, então temos um paradoxo com nosso horizonte cósmico?
A história da astronomia é uma história de retrocessos de horizontes. – Edwin Hubble
Talvez a maior surpresa de tudo sobre o Universo tenha ocorrido no final do século 20: a descoberta da energia escura e a expansão acelerada do Universo. Em vez de serem puxadas em nossa direção gravitacionalmente, as galáxias mais distantes do Universo estão se afastando de nós a velocidades cada vez mais rápidas, destinadas a desaparecer de nossa visão. Mas isso cria seu próprio paradoxo de informação? Rob Hansen quer saber e pergunta:
A expansão do universo significa que nosso horizonte visível está recuando; coisas distantes estão desaparecendo continuamente. (Embora lentamente, agora.) Isso parece implicar que estamos perdendo informações sobre o universo. Então, por que a ideia de perder informações no horizonte de eventos de um buraco negro é tão controversa, se estamos constantemente perdendo informações para outro horizonte?
Há muito o que descompactar aqui, então vamos começar com a expansão acelerada do Universo.
Após o Big Bang, o Universo estava quase perfeitamente uniforme e cheio de matéria, energia e radiação em um estado de rápida expansão. Crédito da imagem: equipe científica da NASA / WMAP.
Se você quer imaginar o Universo primitivo, precisa imaginar algo muito diferente do Universo atual. Em vez de estrelas e galáxias separadas por vastas distâncias cósmicas de vazio virtual, o jovem Universo era quente, denso, cheio de matéria e radiação e se expandindo com extrema rapidez. A uma taxa incrível, o Universo estava ficando menos denso, com todas as partículas se afastando umas das outras em média. No entanto, com o tempo, essa taxa de expansão desacelerou, à medida que a influência gravitacional da matéria e da energia trabalhava para tentar recolocar o Universo.
Se o Universo tivesse apenas uma densidade um pouco maior (vermelho), já teria colapsado novamente; se tivesse apenas uma densidade um pouco menor, teria se expandido muito mais rápido e se tornado muito maior. Crédito da imagem: tutorial de cosmologia de Ned Wright, via http://www.astro.ucla.edu/~wright/cosmo_03.htm .
Foi uma corrida acirrada e, se o Universo estivesse um pouco desequilibrado, poderia ter se expandido para o esquecimento, impedindo que estrelas e galáxias se formassem, ou ter entrado em colapso completamente, implodindo em um fantástico Big Crunch. No entanto, nenhuma dessas duas possibilidades veio a acontecer. Por bilhões de anos, parecia que o Universo estaria no limite – o caso crítico – onde não se expandiria para sempre no nada nem entraria em colapso. Em vez disso, a taxa de expansão cairia para zero.
Os quatro destinos possíveis do Universo, com o exemplo de baixo se ajustando melhor aos dados: um Universo com energia escura. Crédito da imagem: E. Siegel.
Mas tudo isso mudou no final da década de 1990. Ao observar supernovas distantes e medir como o Universo se expandiu ao longo de bilhões de anos, os astrônomos descobriram algo notável, intrigante e totalmente inesperado. Depois de talvez sete bilhões de anos da taxa de expansão desacelerando, com a gravitação lutando contra o impulso inicial do Big Bang, galáxias distantes pararam de desacelerar à medida que se afastavam de nós. Em vez disso, eles começaram a acelerar e se afastar cada vez mais rápido. Essa expansão acelerada do Universo não apenas continuou desde então, mas nos permitiu prever o futuro distante do Universo distante. Não é bonito.
As porções observáveis (amarelas) e alcançáveis (magenta) do Universo, que são o que são graças à expansão do espaço e dos componentes energéticos do Universo. Crédito da imagem: E. Siegel, baseado no trabalho dos usuários do Wikimedia Commons Azcolvin 429 e Frédéric MICHEL.
Galáxias que estão mais distantes do que cerca de 15 bilhões de anos-luz de distância já estão além do nosso alcance. A luz que estamos emitindo agora, 13,8 bilhões de anos após o Big Bang, nunca os alcançará, e a luz que eles estão emitindo nunca nos alcançará. Se você pesquisasse todo o Universo observável, descobriria que aproximadamente 97% de todas as galáxias nele já chegaram a esse ponto. Eles são para sempre inalcançáveis por nós, mesmo que partíssemos hoje, mesmo na velocidade da luz.
Mas isso significa necessariamente que a informação está desaparecendo? Podemos não ser capazes de alcançar essas galáxias, mas isso é o mesmo que perder informações sobre elas?
Galáxias distantes, como as encontradas no aglomerado de galáxias de Hércules, estão acelerando para longe de nós. Eventualmente, deixaremos de receber luz além de um certo ponto deles. Crédito da imagem: ESO/INAF-VST/OmegaCAM. Agradecimento: OmegaCen/Astro-WISE/Kapteyn Institute.
Na verdade. Com o passar do tempo, as galáxias mais distantes desaparecerão no sentido prático, mas não no absoluto. Embora as galáxias físicas possam ter desaparecido, as informações delas continuam a existir em nosso Universo. Os fótons que deixaram uma galáxia distante há muito tempo são esticados pela expansão do Universo, seu comprimento de onda aumenta, eles diminuem em energia e a densidade numérica de fótons diminui. Mas ainda assim, mesmo com o passar do tempo, as informações dessas galáxias distantes continuam a chegar aos nossos olhos, e haverá até estrelas e galáxias no futuro distante cuja luz será exposta a nós pela primeira vez.
Quanto mais distante uma galáxia está, mais rápido ela se expande para longe de nós e mais sua luz é desviada para o vermelho. Crédito da imagem: Larry McNish do RASC Calgary Center, via http://calgary.rasc.ca/redshift.htm .
A informação não está sendo destruída em nenhum sentido; simplesmente não estamos coletando novo informações além de um certo ponto sobre essas galáxias. O horizonte cósmico pode estar se afastando de nós, mas mesmo que as galáxias se tornem inalcançáveis, não há perda de informações que já existiam do nosso ponto de vista. Ele permanece em nosso Universo, acessível em princípio com um observatório grande e poderoso o suficiente no comprimento de onda certo. Em 100 bilhões de anos, pode ser necessário um telescópio do tamanho de uma galáxia para vê-lo, mas a informação ainda está por aí.
A analogia do buraco negro é quase perfeita, a propósito, porque se não fosse pela física quântica, ele se comportaria quase da mesma maneira que o nosso Universo.
Quando algo cai em um buraco negro, a informação é preservada na superfície do horizonte de eventos. Isso é análogo ao que acontece com uma galáxia empurrada para o horizonte cósmico, e tudo ainda está bem. Crédito da imagem: ESO, ESA/Hubble, M. Kornmesser.
Quando você joga um livro em um buraco negro, ele simplesmente adiciona massa ao buraco negro, aumentando o horizonte de eventos. Mas isso não é um problema para a informação; um buraco negro maior e mais massivo tem mais informações codificadas nele. Em particular, as informações sobre o que estava no livro são codificadas – embora não em um sentido praticamente recuperável – no horizonte de eventos do buraco negro. De nossa perspectiva, fora do buraco negro, leva um tempo infinito e assintoticamente longo para o livro cair, o que significa que, se pudermos medir os fótons gravitacionalmente desviados para o vermelho bem o suficiente e por um tempo suficiente, podemos continuar acessando o livro. em formação.
Em escalas de tempo suficientemente longas, os buracos negros encolhem e evaporam graças à radiação Hawking. É aí que ocorre a perda de informações, pois a radiação não contém mais as informações codificadas no horizonte. Crédito da imagem: NASA.
O problema da informação só surge quando o buraco negro decai. Embora houvesse um número específico de prótons, nêutrons, elétrons, etc. no livro - para não mencionar palavras, frases e informações adicionais - o que sai de um buraco negro em decomposição é simplesmente radiação de corpo negro aleatória. É apenas um banho térmico de partículas. E à medida que o horizonte de eventos desaparece, o mesmo acontece com as informações. Como Sabine Hossenfelder explicou eloquentemente , ninguém sabe para onde vai a informação de um buraco negro, ou se é conservada.
À medida que o Universo se expande, evolui e acelera, nenhuma informação é destruída ao passar pelo horizonte, e a informação impressa no horizonte cósmico nunca desaparece completamente. Crédito da imagem: E. Siegel, com imagens derivadas da ESA/Planck e da força-tarefa interagências DoE/NASA/NSF em pesquisa CMB. De seu livro, Além da Galáxia.
Mas o Universo não decai. As galáxias distantes desaparecem, mas não são destruídas. E a informação deles se torna inacessível para nós, mas apenas no sentido prático, não absoluto. Somente se surgisse alguma nova física para causar a decadência de nosso horizonte cósmico, isso começaria a apresentar um paradoxo. O Universo pode estar acelerando; a energia escura pode vir a dominar 99,99%+ da energia do Universo; as galáxias podem se tornar inacessíveis. Mas, por mais desastrosa e contraintuitiva que seja a energia escura, pelo menos não quebra a conservação da informação.
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Esta postagem apareceu pela primeira vez na Forbes , e é oferecido a você sem anúncios por nossos apoiadores do Patreon . Comente em nosso fórum , & compre nosso primeiro livro: Além da Galáxia !
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