Os efeitos mais extremos da gravidade agora podem ser testados em laboratório
Crédito da imagem: NASA/JPL-Caltech.
E por causa disso, podemos aprender sobre o emaranhamento quântico no horizonte de eventos de um buraco negro.
Este artigo foi contribuído para Starts With A Bang por Sabine Hossenfelder , cujo blog, Reação retroativa, pode ser encontrada aqui .
Não é função do teórico defender seu modelo a todo custo! – Joel Primack
Ao sul da cidade alemã de Koblenz, o rio Reno se estreita em um trecho de 30 milhas, forçando sua corrente já forte a aumentar. Salpicada de rochas submarinas, esta rota já foi um cruzeiro arriscado. É o tema de lendas e contos populares. Desempenha um papel de destaque nas óperas de Wagner. Também é um buraco negro.
Se o seu barco estiver a montante do troço de alta velocidade do rio e não tiver um motor suficientemente potente, a passagem onde o rio se estreita e acelera funciona como um horizonte de eventos: depois de o atravessar, não há retorno. Não importa quais ações você tome, você inevitavelmente será sugado a jusante com o fluxo.
Crédito da imagem: Bureau of Land Management / usuário do Wikimedia Commons Howcheng; Governo dos Estados Unidos.
Essa analogia entre gravidade e fluidos com velocidade variável é muito mais do que uma simples metáfora; pode ser feito matematicamente preciso. Para derivar uma relação entre gravidade e fluidos, os físicos não estudam barcos – que podem se mover com velocidade arbitrária – mas ondas, cuja velocidade depende apenas das propriedades do próprio fluido. Se a velocidade do fluido exceder a velocidade da onda, as ondas não podem viajar rio acima. É como estar a bordo de um avião supersônico liderando outro: você não consegue ouvir o barulho do motor do segundo. Apenas para buracos negros, é o luz que não pode escapar, ao invés do som.
Essa analogia não funciona apenas para ondas de superfície, mas também para ondas sonoras em gases em fluxo. Se você empurrar o gás através de um canal estreito, aumentando sua velocidade tanto que excede a velocidade do som, você cria um horizonte acústico. Nenhum som pode cruzar o horizonte acústico porque o gás está fluindo muito rápido.
Crédito da imagem: Sabine Hossenfelder.
Armadilhas sonoras deste tipo foram cunhadas buracos idiotas por Bill Unruh, que foi pioneiro na ideia de que a gravidade pode ser imitada por fluidos em meados da década de 1980. Desde então, esse campo de gravidade analógica floresceu. Os físicos descobriram muitos outros sistemas onde as ondas viajam como em fortes campos gravitacionais, e criaram maneiras de simular não apenas buracos negros, mas também espaços em rápida expansão como o do universo primitivo. E tudo isso agora pode ser feito em laboratório apenas observando como as perturbações viajam em fluidos ou gases.
Este vídeo mostra um experimento de Silke Weinfurtner e colaboradores da Universidade de Nottingham.
Você vê água fluindo através de um recipiente com um obstáculo que aumenta a velocidade da água. Os pesquisadores podem então medir como as ondas viajam e como elas estão correlacionadas .
Crédito da imagem: S. Weinfurtner et al. (2010), por http://arxiv.org/pdf/1008.1911v2.pdf .
As ondas sonoras nesses tipos de sistemas obedecem às mesmas equações que a luz sob a influência da gravidade, com a velocidade da luz substituída pela velocidade do som. As ondas até obedecem às simetrias da Relatividade Especial, pelo menos enquanto se mantiver dentro do intervalo de validade da aproximação. Isso torna possível testar experimentalmente o comportamento da matéria sob a influência da gravidade e estudar situações que não podemos observar de outra forma.
Os físicos gostariam de saber, por exemplo, o que acontece nas proximidades de buracos negros ou perto (no tempo) do big bang. Isso é mais interessante quando as ondas também têm propriedades quânticas, caso em que partículas – conhecidas como fônons – estão associadas às ondas. Para o propósito de estudar o comportamento quântico, no entanto, a água não será suficiente.
Na área da gravidade analógica, a teoria está há muito à frente do experimento, mas recentemente os experimentalistas o alcançaram e agora são capazes de testar também o comportamento quântico. Para a analogia fluido-gravidade, usa-se uma aproximação para fluidos de baixa viscosidade, o que significa que superfluidos com viscosidade próxima de zero são sistemas ideais para testar efeitos quânticos. Para os superfluidos, os físicos usam condensados de alguns bilhões de átomos que são presos e colocados em movimento por lasers. Mas a tecnologia ainda é experimentalmente desafiadora. Foi apenas nos últimos anos que os físicos conseguiram usar condensados superfluidos para investigar o caso mais interessante de gravidade analógica: a evaporação de buracos negros.
Crédito da imagem: Jupe / Alamy.
A evaporação dos buracos negros é devido aos efeitos quânticos dos campos de matéria no espaço-tempo curvo próximo ao horizonte de eventos. Esse espaço-tempo pode ser simulado por um fluido em escoamento e, como a descrição matemática permanece a mesma, deve ser produzida uma radiação semelhante, composta por fônons (ao invés de fótons). Essa radiação foi de fato observada há dois anos, o que confirmou a previsão feita por Stephen Hawking em 1974, de que a região do horizonte próximo – horizonte do buraco negro ou horizonte acústico – produz uma distribuição térmica de partículas.
O experimento anterior, no entanto, não pôde confirmar o aspecto mais interessante da radiação Hawking: que as partículas dentro e fora do horizonte compartilham informações mútuas. De acordo com o cálculo de Hawking, eles são parceiros emaranhados, o que significa que individualmente seus números quânticos não têm valor distinto; em vez disso, eles podem compartilhar propriedades de várias maneiras.
Crédito da imagem: Ulf Leonhardt.
Um exemplo típico de um par emaranhado são duas partículas com spin total zero que se movem em direções opostas. Ou a partícula que se move para a esquerda tem spin +1 e a que se move para a direita tem spin -1, ou vice-versa. Mas essa é a única informação que temos à nossa disposição: as partículas individuais não têm um valor pré-determinado para seus spins até serem medidas. As partículas da radiação Hawking dentro e fora do Horizonte devem formar pares emaranhados como este.
Se a radiação do buraco negro está emaranhada no horizonte é uma questão premente, pois o destino da informação que cai em um buraco negro depende disso. Se as partículas estão emaranhadas e permanecem emaranhadas, uma delas deve eventualmente cair na singularidade onde é destruída. Essa destruição deixa seu parceiro em um estado ambíguo: a informação foi apagada. Mas esse apagamento de informações é proibido na mecânica quântica, o que representa um enorme enigma: os físicos não sabem como fazer a teoria quântica e a gravidade trabalharem juntas. Em um novo experimento agora, Jeff Steinhauer, do Instituto de Tecnologia de Israel, mediu o emaranhamento da radiação Hawking em um buraco negro analógico; seus resultados estão disponíveis no arxiv .
Crédito da imagem: 2014–2015 Prof. Jeff Steinhauer, Departamento de Física do Technion.
Steinhauer aprisiona o condensado superfluido com campos eletromagnéticos e o coloca em movimento com luz laser para gerar um fluxo. Ele não altera a velocidade do fluxo, mas sim a densidade do condensado que afeta a velocidade do som. Como resultado, em uma metade do fluido a velocidade está abaixo da velocidade do som e na outra metade a velocidade está acima da velocidade do som, o que cria o horizonte acústico. Ele então mede como as flutuações no fluido em ambos os lados do horizonte estão relacionadas.
Sua medição confirma que a radiação Hawking consiste em pares emaranhados. No entanto, Steinhauer só conseguiu confirmar o emaranhamento em altas frequências, não em baixas frequências. Se este resultado preliminar é devido à incerteza experimental, ou se é uma característica geral da radiação que irá resistir, ainda não está claro. Se persistir, essa falta de correlação pode abrir uma porta para que as informações saiam de dentro do horizonte, oferecendo potencialmente uma solução para o paradoxo da informação do buraco negro.
Crédito da imagem: Jeff Steinhauer (2015), via http://arxiv.org/abs/1510.00621 .
A analogia do fluido com a gravidade tem seus limites, é claro. Enquanto as ondas do fluido se comportam como na presença de campos gravitacionais, o próprio fluido não comportam-se como um campo gravitacional. Na Relatividade Geral, o próprio espaço-tempo é dinâmico e reage às partículas que se movem dentro dele. O fluido também reage em resposta às ondas, mas sua reação é diferente, pelo menos em todos os casos encontrados até agora. Isso significa que agora só podemos simular sistemas gravitacionais que não são dependentes do tempo ou cuja dependência do tempo é conhecida.
É intrigante que essa relação entre gravidade e dinâmica dos fluidos possa ser matematicamente precisa. Parece sugerir que a própria gravidade pode surgir da interação de muitos constituintes. Talvez o espaço-tempo não seja tão imaterial quanto pensávamos.
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