• Começa Com Um Estrondo

Não, o paradoxo da informação do buraco negro de Stephen Hawking não foi resolvido

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, mas esse trabalho também levou a um paradoxo que ainda não foi resolvido. (NASA; DANA BERRY, SKYWORKS DIGITAL, INC.)

Ainda não sabemos como as informações codificadas nele são divulgadas.

Não importa o que você faça no Universo, sua entropia geral sempre aumenta. Mesmo quando colocamos as coisas em ordem – montando um quebra-cabeça, limpando nossas casas, até clara de ovo não fervida — apenas a entropia local desse componente isolado do nosso sistema diminui. A energia que temos que gastar para realizar essas façanhas aumenta a entropia total em uma quantidade maior do que o processo de ordenação diminui e, como resultado, a entropia sempre aumenta. De outro, perspectiva equivalente , a quantidade total de informações em um sistema físico só pode permanecer a mesma ou aumentar; nunca pode cair.

Mas para os buracos negros, esse não parece ser o caso. Se você jogar um livro em um buraco negro, esse livro conterá todo tipo de informação: a ordem das páginas, o texto contido nelas, as propriedades quânticas das partículas que compõem as páginas e a capa, etc. o buraco negro, aumentando sua massa/energia. Muito mais tarde, quando o buraco negro decai via Radiação Hawking , essa energia volta, mas a previsão é que a informação seja totalmente aleatória: a informação do livro foi apagada. Apesar de um afirmação recente de que o paradoxo chegou ao fim , ainda permanece muito sem solução. Aqui está a ciência do que realmente está acontecendo.

Em um buraco negro de Schwarzschild, cair leva você à singularidade e à escuridão. No entanto, o que quer que caia contém informações, enquanto o próprio buraco negro, pelo menos na Relatividade Geral, é definido apenas por sua massa, carga e momento angular. ((ILUSTRAÇÃO) ESO, ESA/HUBBLE, M. KORMESSER)

Cada partícula que existe no Universo possui uma certa quantidade de informação inerente a ela. Algumas dessas propriedades são estáticas: coisas como massa, carga, momento magnético, etc. e momento angular orbital, e se está ligado a outras partículas quânticas. Se pudéssemos conhecer o microestado exato de um sistema - o estado quântico de cada partícula incluída nele - saberíamos tudo o que era cognoscível sobre ele.

Claro, na realidade, isso não é fisicamente possível. Temos propriedades que conhecemos e podemos medir, como a temperatura de um gás, e coisas que não conhecemos, como as posições e momentos de cada átomo desse gás. Em vez de pensar na entropia como uma medida de desordem, que é enganosa e incompleta, é mais correto pensar na entropia como a quantidade de informações faltantes necessárias para determinar o microestado específico do seu sistema. Essa definição de entropia é a chave para entender a ideia de informação quântica .

Uma representação do demônio de Maxwell, que pode classificar partículas de acordo com sua energia em ambos os lados de uma caixa. Ao abrir e fechar o divisor entre os dois lados, o fluxo de partículas pode ser controlado de forma complexa, reduzindo a entropia do sistema dentro da caixa. No entanto, quando a entropia do demônio também é incluída, a entropia total do sistema ainda aumenta. (WIKIMEDIA COMMONS USUÁRIO HTKYM)

Em nosso Universo, até onde sabemos, a entropia nunca pode diminuir. A segunda lei da termodinâmica exige isso:

• pegue qualquer sistema físico que você goste,
• não permita que nada entre ou saia (ou seja, certifique-se de que está fechado),
• e sua entropia só pode aumentar ou, na melhor das hipóteses, permanecer a mesma.

Uma consequência disso é que os ovos não podem se desembaraçar, a água morna nunca se separa em partes quentes e frias e as cinzas não se remontam em seu estado de pré-combustão.

É por isso que o paradoxo da informação do buraco negro é um enigma. Se você pegar algo cheio de informações e jogá-lo em um buraco negro, o buraco negro ganha toda a massa, energia, carga e momento angular que entrou nele. Mas o que acontece com a informação? Em princípio, ele pode ser esticado e codificado na superfície do buraco negro: podemos definir a entropia de um buraco negro de tal forma que sua área de superfície forneça um lugar para cada quantum de informação residir.

Codificados na superfície do buraco negro podem estar bits de informação, proporcionais à área de superfície do horizonte de eventos. À medida que a matéria e a radiação caem no buraco negro, a área da superfície aumenta, permitindo que essa informação seja codificada com sucesso. Quando o buraco negro decai, porém, para onde vai a informação? (T.B. BAKKER / DR. J.P. VAN DER SCHAAR, UNIVERSITEIT VAN AMSTERDÃ)

Mas mesmo com essa adição, não há nenhuma maneira conhecida de manter essas informações. Eventualmente, com o tempo, esse buraco negro decairá espontaneamente: uma consequência da curvatura do espaço-tempo fora do horizonte de eventos do buraco negro. Essa curvatura é determinada pela massa do buraco negro, com buracos negros de menor massa curvando o espaço mais severamente no horizonte de eventos do que seus equivalentes de maior massa. Como Stephen Hawking demonstrou em 1974 , os buracos negros não são completamente negros, pois eles emitem radiação, afinal. Essa radiação:

• tem um espectro de corpo negro: as mesmas propriedades que teria se você aquecesse um absorvedor completamente preto e perfeito a uma certa temperatura finita,
• onde essa temperatura é definida pela massa do buraco negro,
• que a radiação contém energia, o que faz com que o buraco negro perca massa via Einstein E = mc² ,
• em um processo que continua até que o buraco negro evapore completamente.

Mas você pode notar que algo está faltando: essa radiação não retorna as informações que você colocou nela. Em algum lugar ao longo do caminho, a informação foi destruída. Esse é o principal quebra-cabeça do paradoxo da informação do buraco negro.

À medida que um buraco negro encolhe em massa e raio, a radiação Hawking que emana dele se torna cada vez maior em temperatura e potência. Uma vez que a taxa de decaimento excede a taxa de crescimento, a radiação Hawking só aumenta em temperatura e potência. (NASA)

Ninguém contesta a configuração inicial do quebra-cabeça: essa informação existe e que a informação (e a entropia) de fato entra no buraco negro para começar. A grande questão é se essa informação volta ou não.

A maneira como calculamos o que sai de um buraco negro via radiação Hawking, apesar do fato de a radiação Hawking existir há quase meio século, não mudou muito em todo esse tempo. O que fazemos é assumir a curvatura do espaço da Relatividade Geral: o tecido do espaço é curvado pela presença de matéria e energia, e a Relatividade Geral nos diz exatamente por quanto.

Em seguida, realizamos nossos cálculos da teoria quântica de campos nesse espaço curvo, detalhando a radiação que sai como resultado. É aí que aprendemos que a radiação tem temperatura, espectro, entropia e outras propriedades que sabemos que ela tem, incluindo o fato de que não parece codificar essa informação inicial quando a radiação sai.

A gravidade quântica tenta combinar a teoria geral da relatividade de Einstein com a mecânica quântica. As correções quânticas à gravidade clássica são visualizadas como diagramas de loop, como o mostrado aqui em branco. Embora a aproximação semi-clássica envolvesse a realização de cálculos quânticos no fundo clássico do espaço curvo de Einstein, essa pode não ser uma abordagem válida. (LACELERATOR LABORATÓRIO NACIONAL DO SLAC)

Com o passar do tempo, o buraco negro em questão perde massa, fazendo com que sua taxa de radiação (e temperatura, e a entropia da radiação) aumentem, até que o buraco negro desapareça completamente. Então, para onde foi toda essa informação inicial, se não reaparece de alguma forma na radiação em que o buraco negro se evapora? Algo não se encaixa em tudo isso, claramente. Mas onde, exatamente, está a falha? Em geral, normalmente consideramos três possibilidades:

1. A perda de informação ocorre, mas não é um problema, devido a algum processo que não entendemos.
2. Que, embora os buracos negros irradiem como pensamos, as informações não são perdidas e tiramos conclusões incorretas com base nas suposições que fizemos.
3. Ou, muito possivelmente, há algo errado com as suposições que fizemos.

Embora as soluções propostas não sejam necessariamente limitadas a essas três possibilidades, a maioria dos físicos que trabalham nessa área normalmente espera que algo interessante esteja acontecendo com a terceira possibilidade. Há uma excelente razão para pensar que eles podem estar certos.

Nas proximidades de um buraco negro, o espaço flui como uma esteira rolante ou uma cachoeira, dependendo de como você deseja visualizá-lo. No horizonte de eventos, mesmo se você corresse (ou nadasse) na velocidade da luz, não haveria como superar o fluxo do espaço-tempo, que o arrasta para a singularidade no centro. Fora do horizonte de eventos, porém, outras forças (como o eletromagnetismo) podem frequentemente superar a atração da gravidade, fazendo com que até mesmo a matéria em queda escape. (ANDREW HAMILTON / JILA / UNIVERSIDADE DO COLORADO)

O espaço fora de um buraco negro é extremamente complicado, mesmo se o tratarmos como um sistema idealizado, em vez de fisicamente realista. Embora a maioria de nós pense no espaço de forma semelhante à de Newton – como uma grade tridimensional imaginária, talvez com uma camada adicional de curvatura einsteiniana – talvez seja mais preciso pensar no espaço ao redor de um buraco negro como um movimento passarela ou um rio: algo que se move sozinho. Você pode andar ou nadar com, contra ou perpendicular à corrente, mas o fato importante é que o espaço se comporta como uma entidade não estática e em movimento por conta própria.

Além disso, estamos assumindo que as leis da Relatividade Geral ainda são perfeitamente precisas para descrever a dinâmica do espaço em um nível quântico: estamos assumindo que os efeitos quânticos que criam a radiação Hawking são importantes, mas que quaisquer efeitos quânticos que surgem porque tratar o espaço como um fundo clássico e contínuo pode ser ignorado. Os pesquisadores que trabalham com isso chamam essa abordagem de aproximação semi-clássica, e a suspeita é de que algo nela deve falhar.

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. (A CIÊNCIA DA COMUNICAÇÃO DA UE)

Mas qual é a abordagem correta? Como realizamos esse cálculo com sucesso, determinando as propriedades quânticas corretas para a radiação Hawking que sai e determinando exatamente onde essa informação recebida acaba quando o buraco negro decai completamente?

Responder a essas perguntas com sucesso forneceria, de fato, uma solução para o paradoxo da informação do buraco negro. É importante que todos percebam, porém, que apesar do título de um artigo recente na Quanta, O paradoxo mais famoso da física está chegando ao fim , essas perguntas não foram respondidas.

O que aconteceu é interessante: uma série de novos artigos e cálculos mostraram que quando o buraco negro se aproxima do fim de sua vida, tendo encolhido significativamente, você não pode mais isolar o interior do buraco negro do lado de fora. Esses efeitos, embora insignificantes em nosso universo relativamente jovem, acabarão dominando a dinâmica do buraco negro em evaporação e, consequentemente, a radiação que escapa dele.

Contra um pano de fundo aparentemente eterno de escuridão eterna, um único flash de luz emergirá: a evaporação do buraco negro final no Universo. Este é o destino final de todo buraco negro: evaporação total. Mas para onde vai a informação que foi inicialmente codificada no buraco negro? (ORTEGA-FOTOS / PIXABAY)

O próprio artigo faz um bom trabalho ao mergulhar em muitos dos detalhes, incluindo um fato que não foi apreciado o suficiente: quando a radiação sai de um buraco negro, ela deve manter uma ligação emaranhada mecanicamente quântica com o interior do buraco negro. Isso em si é de suma importância, pois demonstra uma maneira infalível de que a aproximação semi-clássica que usamos desde a época de Hawking se desfaz.

Também houve fascinantes - mas difíceis de colocar em termos simples - avanços teóricos que ajudam a mapear a entropia do interior do buraco negro para a radiação de saída, fornecendo uma sugestão de que este pode ser um caminho frutífero para entender como a informação é codificada de volta ao Universo que podemos experimentar. Neste ponto, no entanto, estamos apenas calculando propriedades gerais: como colocar massas em uma escala e ver se elas se equilibram. Isso está muito longe, no entanto, de aprender como as informações são divulgadas, bem como se elas podem realmente ser coletadas e medidas fisicamente mais uma vez.

Quando um buraco negro é criado com uma massa muito pequena, os efeitos quânticos decorrentes do espaço-tempo curvo perto do horizonte de eventos farão com que o buraco negro decaia rapidamente através da radiação Hawking. Quanto menor a massa do buraco negro, mais rápido é o decaimento. (AURORE SIMONETE)

A boa notícia é que progredimos na questão central do paradoxo da informação do buraco negro: podemos afirmar com bastante certeza que (pelo menos) uma das suposições que colocamos no problema está incorreta. Não podemos simplesmente olhar para o espaço fora de um buraco negro quando calculamos a radiação emitida; há uma interação contínua entre essa radiação e o interior do próprio buraco negro. À medida que o buraco negro evapora, o interior começa a conter informações ligadas à radiação emitida e não pode mais ser ignorada.

Mas ainda estamos muito longe de determinar exatamente para onde essa informação vai e como ela sai de um buraco negro. Os teóricos discordam sobre a validade e a solidez de muitos dos métodos que estão sendo empregados atualmente para fazer esses cálculos, e ninguém tem sequer uma previsão teórica de como essa informação deve ser codificada por um buraco negro em evaporação, muito menos como medi-la. O paradoxo da informação do buraco negro sem dúvida estará nas manchetes inúmeras vezes nos próximos anos, à medida que os desenvolvimentos continuarem, mas uma solução suficiente para a grande questão – para onde vai a informação – está mais distante do que nunca.

Começa com um estrondo é escrito por Ethan Siegel , Ph.D., autor de Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

Compartilhar: