• ciência dura

O grande paradoxo no coração da cosmologia de Stephen Hawking

• Os paradoxos confusos dos buracos negros e do multiverso foram debatidos acaloradamente pelos físicos nas últimas décadas.
• Muitas tentativas de alinhar os dois pilares da física do século 20 – a relatividade e a teoria quântica – foram esmagadas pelas garras da contradição.
• O paradoxo do multiverso era central para a perspectiva quântica de Stephen Hawking sobre o cosmos.

Extraído de Na origem do tempo . Copyright © 2023 por Thomas Hertog. Publicado pela Bantam, uma marca da Penguin Random House.

Os físicos dizem que o multiverso nos impõe um paradoxo. A cosmologia do multiverso baseia-se na inflação cósmica, a ideia de que o universo passou por uma pequena explosão de rápida expansão em seus estágios iniciais. A teoria inflacionária teve um grande apoio observacional por algum tempo, mas tem a tendência inconveniente de gerar não um, mas muitos universos. E como não diz em qual deveríamos estar – falta essa informação – a teoria perde muito de sua capacidade de prever o que deveríamos ver. Isso é um paradoxo. Por um lado, nossa melhor teoria do início do universo sugere que vivemos em um multiverso . Ao mesmo tempo, o multiverso destrói muito do poder preditivo dessa teoria.

Na verdade, esta não foi a primeira vez que Stephen [Hawking] foi confrontado com um paradoxo misterioso. Em 1977, ele colocou o dedo em um enigma semelhante relacionado ao destino dos buracos negros. A teoria da relatividade geral de Einstein prevê que quase todas as informações sobre qualquer coisa que caia em um buraco negro permaneçam para sempre escondidas dentro dele. Mas Stephen descobriu que a teoria quântica acrescenta uma reviravolta paradoxal a essa história. Ele descobriu que os processos quânticos perto da superfície de um buraco negro fazem com que o buraco irradie um fluxo leve, mas constante, de partículas, incluindo partículas de luz. Essa radiação – agora conhecida como radiação Hawking – é muito fraca para ser detectada fisicamente, mas mesmo sua mera existência é inerentemente problemática.

A razão é que, se os buracos negros irradiam energia, eles devem encolher e eventualmente desaparecer. O que acontece com a enorme quantidade de informações escondidas quando um buraco negro irradia sua última gota de massa? Os cálculos de Stephen indicavam que essa informação seria perdida para sempre. Os buracos negros, argumentou ele, são as latas de lixo definitivas. No entanto, esse cenário contradiz um princípio básico da teoria quântica que determina que os processos físicos podem transformar e embaralhar informações, mas nunca obliterar irreversivelmente as informações. Mais uma vez chegamos a um paradoxo: os processos quânticos fazem com que os buracos negros irradiem e percam informações, mas a teoria quântica diz que isso é impossível.

Os paradoxos relacionados ao ciclo de vida dos buracos negros e ao nosso lugar no multiverso tornaram-se dois dos quebra-cabeças físicos mais irritantes e debatidos das últimas décadas. Eles estão preocupados com a natureza e o destino da informação na física e, portanto, atingem o cerne da questão sobre o que são as teorias físicas. Ambos os paradoxos surgem no contexto da chamada gravidade semiclássica, uma descrição teórica da gravidade iniciada por Stephen e sua gangue de Cambridge em meados da década de 1970, baseada em um amálgama de pensamento clássico e quântico.

Os paradoxos surgem quando se aplica esse pensamento semiclássico a escalas de tempo excessivamente longas (no caso dos buracos negros) ou a distâncias excessivamente grandes (no caso do multiverso). Juntos, eles incorporam as profundas dificuldades que surgem quando tentamos fazer com que os dois pilares da física do século XX, a relatividade e a teoria quântica, funcionem em harmonia. Nesse papel, eles serviram como experimentos mentais alucinantes, com os quais os teóricos extrapolaram seu pensamento semiclássico sobre a gravidade ao extremo para ver onde e como exatamente ela iria quebrar.

Experimentos mentais sempre foram os favoritos de Stephen. Tendo renunciado à filosofia, Stephen adorava experimentar algumas das profundas questões filosóficas – se o tempo teve um começo, se a causalidade era fundamental e, o mais ambicioso de tudo, como nós, como “observadores”, nos encaixamos no esquema cósmico. E ele fez isso enquadrando essas questões como experimentos inteligentes em física teórica. Três das descobertas marcantes de Stephen resultaram de experimentos mentais engenhosos e cuidadosamente configurados. O primeiro deles foi sua série de teoremas de singularidade do big bang na gravidade clássica; segundo, sua descoberta em 1974 na gravidade semiclássica de que os buracos negros irradiam; e terceiro, sua proposta sem limites, também na gravidade semiclássica, para a origem do universo.

Agora, embora alguém possa argumentar que o paradoxo do buraco negro é apenas de interesse acadêmico - os detalhes sutis de Radiação Hawking são improváveis ​​de serem mensuráveis ​​- o paradoxo do multiverso tem relação direta com nossa cosmologia observações . No cerne do paradoxo está a tensa relação na cosmologia moderna entre o mundo vivo e a observação, e o universo físico. O paradoxo do multiverso tornou-se um farol na busca de Hawking para repensar esse relacionamento, desenvolvendo uma perspectiva totalmente quântica do cosmos. Sua teoria final do universo, totalmente quântica, redesenha os fundamentos básicos da cosmologia e é a quarta grande contribuição de Hawking à física. O grande experimento mental que está por trás da teoria, em certo sentido, levou cinco séculos para ser elaborado. Realizá-lo seria a nossa viagem.

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