O paradoxo da informação do buraco negro, o maior quebra-cabeça de Stephen Hawking, ainda não foi resolvido

Fora do horizonte de eventos de um buraco negro, a Relatividade Geral e a teoria quântica de campos são completamente suficientes para entender a física do que ocorre; é isso que é a radiação Hawking. Mas mesmo a combinação desses dois leva a um paradoxo de informação que ainda não foi resolvido. (NASA)



O paradoxo é aquele para o qual o próprio Hawking afirmou ter uma solução muitas vezes, mas nenhuma das propostas resistiu ao escrutínio. O paradoxo ainda não foi resolvido.


Com o falecimento de Stephen Hawking, a ciência perdeu não apenas sua figura pública mais reconhecível, mas também um notável pesquisador da natureza dos buracos negros. Enquanto seu trabalho final pode ter focado mais sobre alguns dos desafios existenciais que a cosmologia enfrenta hoje, suas maiores contribuições científicas foram em descobrindo algumas verdades quânticas incríveis sobre o Universo examinando seus objetos mais extremos . Os buracos negros, antes considerados estáticos, imutáveis ​​e definidos apenas por sua massa, carga e rotação, foram transformados através de seu trabalho em motores em constante evolução que tinham temperatura, emitiam radiação e, eventualmente, evaporavam com o tempo. No entanto, essa conclusão científica agora aceita – inferindo a presença e as propriedades da radiação Hawking – teve uma tremenda implicação: que os buracos negros forneceram uma maneira de destruir informações sobre o Universo. Apesar de mais de 40 anos de trabalho sobre o problema pelas mentes mais brilhantes do mundo, o paradoxo da informação do buraco negro ainda permanece sem solução.

Quando uma massa é devorada por um buraco negro, a quantidade de entropia que a matéria possui é determinada por suas propriedades físicas. Mas dentro de um buraco negro, apenas propriedades como massa, carga e momento angular são importantes. Isso representa um grande enigma se a segunda lei da termodinâmica deve permanecer verdadeira. Ilustração: (NASA/CXC/M.Weiss; Raio-X (topo): NASA/CXC/MPE/S.Komossa et al. (L); Óptico: ESO/MPE/S.Komossa (R))



A segunda lei da termodinâmica é uma das regras mais invioláveis ​​do Universo: pegue qualquer sistema que você goste, não permita que nada entre ou saia dele, e sua entropia nunca diminuirá espontaneamente. Os ovos não se desembaraçam espontaneamente, a água morna nunca se separa em seções quentes e frias e as cinzas não se reagrupam na forma do objeto que eram antes de serem queimadas. Tudo isso seria um exemplo de entropia decrescente, e isso não acontece, na natureza, por conta própria. A entropia pode permanecer a mesma; na maioria das circunstâncias aumenta; mas nunca pode retornar a um estado de entropia mais baixa. Na verdade, a única maneira de diminuir artificialmente a entropia é bombear energia para um sistema, burlando a segunda lei, aumentando a entropia externa ao sistema em uma quantidade maior do que diminui dentro de seu sistema. (Limpar sua casa é um exemplo.) Simplificando, a entropia nunca pode ser destruída.

A massa de um buraco negro é o único fator determinante do raio do horizonte de eventos, para um buraco negro isolado e não rotativo. Durante muito tempo, pensou-se que os buracos negros eram objetos estáticos no espaço-tempo do Universo. (Equipe SXS; Bohn et al. 2015)

Para os buracos negros, o pensamento – por muito tempo – era que eles tinham entropia zero, mas isso não podia estar certo. Se a matéria da qual você fez os buracos negros tivesse uma entropia diferente de zero, então, ao jogar esse material em um buraco negro, a entropia teria que aumentar ou permanecer a mesma; nunca poderia cair. A ideia da entropia de um buraco negro remonta a John Wheeler, que estava pensando sobre o que acontece com um objeto quando ele cai em um buraco negro do ponto de vista de um observador bem fora do horizonte de eventos. De longe, alguém caindo pareceria se aproximar assintoticamente do horizonte de eventos, ficando cada vez mais vermelho devido ao desvio gravitacional para o vermelho, e levando um tempo infinitamente longo para alcançar o horizonte, à medida que a dilatação do tempo relativista entrou em vigor. A informação, portanto, do que quer que tenha caído parece estar codificada na área da superfície do próprio buraco negro.



Codificados na superfície do buraco negro podem estar bits de informação, proporcionais à área de superfície do horizonte de eventos. (T.B. Bakker / Dr. J.P. van der Schaar, Universidade de Amsterdã)

Como a massa de um buraco negro determina o tamanho de seu horizonte de eventos, isso deu um lugar natural para a entropia de um buraco negro existir: na área da superfície do horizonte de eventos. De repente, os buracos negros tinham uma enorme entropia, baseada no número de bits quânticos que podiam ser codificados em um horizonte de eventos de um tamanho específico. Mas qualquer coisa que tenha uma entropia também tem uma temperatura, o que significa que ela irradia. Como Hawking demonstrou , os buracos negros emitem radiação de um espectro e temperatura específicos (corpos negros), definidos pela massa do buraco negro de onde vem. Com o tempo, essa emissão de energia significa que o buraco negro está perdendo massa, devido à famosa frase de Einstein. E = mc2 ; se a energia está sendo liberada, ela tem que vir de algum lugar, e esse lugar deve ser o próprio buraco negro. Com o tempo, o buraco negro perderá massa cada vez mais rápido, até que em um brilhante flash de luz no futuro, ele evapore completamente.

Contra um pano de fundo aparentemente eterno de escuridão eterna, um único flash de luz emergirá: a evaporação do buraco negro final no Universo. (ortega-fotos / pixabay)

Esta é uma grande história, mas tem um problema. A radiação que emite é puramente de corpo negro, o que significa que tem as mesmas propriedades como se pegássemos um objeto completamente preto e o aquecêssemos a uma temperatura específica. A radiação, portanto, é exatamente a mesma para todos os buracos negros de uma massa específica – e este é o kicker – independentemente de quais informações estão ou não impressas no horizonte de eventos.



De acordo com as leis da termodinâmica, no entanto, isso não pode ser! Isso é o equivalente a destruir informações e é especificamente a única coisa que não é permitida.

Qualquer coisa que queime pode parecer destruída, mas tudo sobre o estado pré-queimado é, em princípio, recuperável, se rastrearmos tudo o que sai do fogo. (Domínio público)

Se você queimar dois livros de tamanhos idênticos com conteúdos muito diferentes, você pode ser praticamente incapaz de reconstruir o texto de qualquer um dos livros, mas os padrões de tinta no papel, as variações nas estruturas moleculares e outras diferenças minúsculas contêm informações e essa informação permanece codificada na fumaça, nas cinzas, no ar circundante e em todas as outras partículas em jogo. Se você pudesse monitorar o ambiente ao redor e incluir os livros com precisão arbitrária, seria capaz de reconstruir todas as informações que desejava; está embaralhado, mas não perdido.

O paradoxo da informação do buraco negro , no entanto, é que todas as informações que foram impressas no horizonte de eventos do buraco negro, uma vez evaporadas, não deixaram vestígios em nosso Universo observável.

O decaimento simulado de um buraco negro não apenas resulta na emissão de radiação, mas no decaimento da massa orbital central que mantém a maioria dos objetos estáveis. Os buracos negros não são objetos estáticos, mas mudam com o tempo. No entanto, buracos negros formados por diferentes materiais devem ter diferentes informações codificadas em seus horizontes de eventos. (Comunique a Ciência da UE)



Essa perda de informação deveria ser proibida pelas regras da mecânica quântica. Qualquer sistema pode ser descrito por uma função de onda quântica, e cada função de onda é única. Se você evoluir seu sistema quântico no tempo, não há como dois sistemas diferentes chegarem ao mesmo estado final, mas é exatamente isso que o paradoxo da informação implica. Até onde entendemos, uma de duas coisas deve estar acontecendo:

  1. Qualquer uma das informações é realmente destruída de alguma forma quando um buraco negro evapora, nos ensinando que existem novas regras e leis em vigor para a evaporação de buracos negros,
  2. Ou a radiação emitida de alguma forma contém essa informação, o que significa que há mais radiação Hawking do que os cálculos que fizemos até agora implicam.

Este paradoxo, mais de quarenta anos depois de ter sido notado pela primeira vez, ainda nunca foi resolvido.

Uma ilustração das flutuações quânticas que permeiam todo o espaço. Se essas flutuações estiverem impressas, de alguma forma, na radiação Hawking que emana de um buraco negro, é possível que as informações codificadas em um horizonte de eventos sejam preservadas afinal. (NASA/CXC/M.Weiss)

Enquanto os cálculos originais de Hawking demonstram que a evaporação via radiação Hawking destrói qualquer informação impressa no horizonte de eventos do buraco negro, o pensamento moderno é que algo deve acontecer para codificar essa informação na radiação emitida. Muitos físicos apelam ao princípio holográfico, observando que a informação codificada na superfície do buraco negro aplica correções quânticas ao estado de radiação Hawking puramente térmico, imprimindo-se na radiação à medida que o buraco negro evapora e o horizonte de eventos encolhe. Apesar do fato de que Hawking, John Preskill, Kip Thorne, Gerard ‘t Hooft e Leonard Susskind fizeram apostas e declararam vitória e derrota em relação a esse problema, o paradoxo permanece muito vivo e não resolvido, com muitas soluções hipotéticas diferente do apresentado aqui.

O horizonte de eventos de um buraco negro é uma região esférica ou esferoidal da qual nada, nem mesmo a luz, pode escapar. Mas fora do horizonte de eventos, prevê-se que o buraco negro emita radiação. O trabalho de Hawking de 1974 foi o primeiro a demonstrar isso, e foi sem dúvida sua maior conquista científica. (NASA; Jörn Wilms (Tübingen) et al.; ESA)

Apesar de nossos melhores esforços, ainda não entendemos se a informação vaza de um buraco negro quando irradia energia (e massa) para longe. Se vazar informações, não está claro como essas informações vazaram e quando ou onde os cálculos originais de Hawking falham. O próprio Hawking, apesar de admitir o argumento há mais de uma década, continuou a publicar ativamente sobre o tema , muitas vezes declarando que ele finalmente resolveu o paradoxo . Mas o paradoxo continua sem solução, sem uma solução clara. Talvez esse seja o maior legado que se pode esperar alcançar na ciência: descobrir um novo problema tão complexo que levará várias gerações para chegar à solução. Nesse caso em particular, quase todos concordam sobre como deve ser a solução, mas ninguém sabe como chegar lá. Até que o façamos, permanecerá apenas mais uma parte dos presentes incomparáveis ​​e enigmáticos de Hawking que ele compartilhou com o mundo.


Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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