• Começa com um estrondo

Pergunte a Ethan: As singularidades são fisicamente reais?

Do Big Bang aos buracos negros, é difícil evitar singularidades. A matemática definitivamente os prevê, mas eles são verdadeiramente, fisicamente reais?

Principais conclusões

• Sempre que houver muita massa ou energia reunida em um local no espaço, você inevitavelmente chegará ao que é conhecido como singularidade: um lugar onde as leis da física falham.
• Isto ocorre porque a Relatividade Geral de Einstein e o universo quântico de pequena escala não funcionam bem juntos, e as previsões sob essas condições físicas já não fazem sentido.
• No entanto, as singularidades são fisicamente reais em algum sentido, ou são apenas uma indicação de que algo mais, como uma teoria quântica da gravidade, é necessário? É hora de descompactar o que sabemos.

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Um dos avanços mais importantes em toda a física foi o desenvolvimento da Relatividade Geral de Einstein: a nossa maior e mais poderosa teoria da gravidade. Substituir a ideia de uma “força gravitacional” que atua sobre objetos que nunca se tocam fisicamente pela noção de que todos os objetos existem dentro da estrutura do espaço-tempo e que a curvatura do espaço-tempo determina como esses objetos se moverão é um conceito que muitos - até mesmo profissionais - ainda lutam para entender . No entanto, isso traz consequências: certas configurações de matéria e energia dentro do espaço-tempo levam inevitavelmente a uma condição que marca um “fim” ou “começo” efetivo para o próprio espaço-tempo, mais comumente conhecido como singularidade.

Mas serão essas singularidades necessariamente fisicamente reais, representando algo profundo que está ocorrendo no Universo? Ou poderá haver alguma maneira de evitá-los, talvez sinalizando um cenário muito diferente do que o próprio espaço e tempo deixando de existir? (Pelo menos, como os entendemos.) É isso que Apoiador do Patreon Cameron Sowards quer saber, enquanto escreve para perguntar:

“Por que acreditamos que o estado pré-big bang não era uma singularidade quando é uma concentração de energia muito maior do que um buraco negro poderia ter… já que o universo pré-big bang não era uma singularidade, poderiam os mesmos mecanismos que o impediram de ser uma singularidade se aplica ao interior dos buracos negros?”

Há muito o que desempacotar aqui, então vamos tentar fazer justiça a essa questão!

Depois de cruzar o limiar para formar um buraco negro, tudo dentro do horizonte de eventos se reduz a uma singularidade que é, no máximo, unidimensional. Nenhuma estrutura 3D pode sobreviver intacta. No entanto, uma interessante transformação de coordenadas mostra que cada ponto no interior deste buraco negro mapeia 1 para 1 com um ponto no exterior, levantando a possibilidade matematicamente interessante de que o interior de cada buraco negro dá origem a um universo bebé dentro dele. isso, e a possibilidade de que o nosso próprio Universo possa ter surgido de um buraco negro num universo pré-existente anterior ao nosso.

O Big Bang e a questão de uma “primeira” singularidade

Se você começar com apenas duas observações básicas – que o Universo está cheio de matéria e energia, e também está se expandindo hoje – você pode pensar que não há saída para uma singularidade inicial. Na verdade, isto foi elaborado pela primeira vez há quase cem anos, na década de 1920. Assim que você reconhecer que o seu Universo, na maior das escalas cósmicas, é aproximadamente o mesmo em todos os locais e em todas as direções (o que os astrofísicos chamam de “homogêneo” para o primeiro e “isotrópico” para o segundo), então há um particular solução exata (e métrica para o espaço-tempo) que se aplica no contexto da relatividade geral: a Métrica FLRW (Friedmann–Lemaître–Robertson–Walker) .

Esta métrica, que descreve o espaço-tempo do Universo, bem como a sua relação com a matéria e a energia dentro dele, determina que o Universo não pode ser estático, mas deve expandir-se ou contrair-se. Dado que as observações da velocidade de recessão (ou desvio para o vermelho) de galáxias distantes são diretamente proporcionais à sua distância medida de nós, isto indica que o Universo está hoje em expansão.

Se hoje está em expansão e cheio de matéria e radiação, isso implica que, no passado, o Universo era menor, mas continha a mesma quantidade de “coisas”. Portanto, era mais denso e mais quente também. Quanto mais extrapolamos no tempo, menor fica o Universo. E se voltarmos ao momento em que atinge “0” para o seu tamanho, chegamos a uma singularidade.

À medida que um balão infla, quaisquer moedas coladas à sua superfície parecerão afastar-se umas das outras, com as moedas “mais distantes” a recuarem mais rapidamente do que as menos distantes. Qualquer luz sofrerá um desvio para o vermelho, à medida que o seu comprimento de onda se “estica” para valores mais longos à medida que o tecido do balão se expande. Esta visualização explica solidamente o desvio para o vermelho cosmológico no contexto do Universo em expansão. Se o Universo está em expansão hoje, isso significa que era menor, mais quente e mais denso no passado: levando à imagem do Big Bang quente.

Esta imagem manteve-se dominante durante a maior parte do século XX, tendo sido reforçada pelo que é conhecido como os quatro pilares observacionais da teoria do Big Bang.

1. A observação de que o Universo está em expansão, como mostrado mais claramente pela relação redshift-distância descoberta por Lemaître (em 1927), e mais tarde por Robertson (em 1928), e mais tarde novamente por Hubble (em 1929-1931).
2. A formação e crescimento da estrutura cósmica no Universo: de um estado inicial, aproximadamente uniforme, a um estado mais aglomerado e agrupado, consistindo de estrelas, galáxias, grupos e aglomerados de galáxias, e uma teia cósmica filamentar em tempos posteriores.
3. A existência e o espectro do corpo negro de uma radiação cósmica de fundo: um fundo de radiação residual que remonta ao próprio Big Bang quente, de uma época em que o Universo primitivo era quente demais para que átomos neutros se formassem de forma estável; assim que os átomos se formam, a radiação é liberada e podemos observá-la hoje.
4. E, finalmente, a abundância dos elementos e isótopos mais leves de todos: hidrogênio, deutério, hélio-3, hélio-4 e uma pequena quantidade de lítio-7, todos forjados no cadinho do Big Bang quente, antes que qualquer estrela pudesse forma.

Com estes quatro pilares apoiando o Big Bang quente, não havia dúvida de que esta teoria - em contraste com todos os outros modelos concorrentes - descreve com precisão as nossas origens cósmicas.

No painel superior, o nosso Universo moderno tem as mesmas propriedades (incluindo a temperatura) em todos os lugares porque se originou de uma região que possui as mesmas propriedades. No painel do meio, o espaço que poderia ter qualquer curvatura arbitrária é inflado a ponto de não podermos observar nenhuma curvatura hoje, resolvendo o problema de planicidade. E no painel inferior, as relíquias de alta energia pré-existentes são infladas, fornecendo uma solução para o problema das relíquias de alta energia. É assim que a inflação resolve os três grandes enigmas que o Big Bang não consegue resolver por si só.

Mas só porque esta história descreve o nosso passado não significa necessariamente que seja o “capítulo 1” da história do nosso Universo. Existem muitos quebra-cabeças inexplicáveis ​​​​que acompanham o Big Bang, incluindo:

• Porque é que, se o Universo atingiu temperaturas incrivelmente elevadas, não existem ainda hoje relíquias de alta energia dessas épocas no nosso Universo? (Historicamente conhecido como “o problema do monopolo”.)
• Porque é que, devido à forma como a expansão cósmica funciona, o Universo nasceu com a sua taxa de expansão e a sua densidade total de energia perfeitamente equilibradas, de modo que, mesmo milhares de milhões de anos depois, ainda é perfeitamente plano espacialmente? (Historicamente conhecido como “o problema da planicidade”.)
• E por que, quando olhamos para diferentes regiões do céu que não tiveram tempo de trocar informações ou sinais entre si, mesmo à velocidade da luz, elas parecem estar em perfeito equilíbrio térmico? (Historicamente conhecido como “o problema do horizonte”.)

No Big Bang quente padrão, não há explicações para isso. Você tem que simplesmente afirmar que “estas são as condições iniciais do Universo” sem nenhuma explicação, ou como Lady Gaga poderia dizer, o Universo simplesmente “nasceu desta forma”.

No entanto, existe um mecanismo científico maravilhoso que pode estabelecer estas condições se levantarmos a hipótese de uma fase inicial do Universo que precedeu o quente Big Bang : inflação cosmológica. Esta teoria, proposta pela primeira vez em 1980, não só fornece poder explicativo para todas estas três observações, como também fez um novo conjunto incrível de previsões que diferem daquelas de um Big Bang quente sem inflação, incluindo algumas realmente estranhas. que desde então foram confirmados observacionalmente .

As flutuações quânticas inerentes ao espaço, estendidas por todo o Universo durante a inflação cósmica, deram origem às flutuações de densidade impressas na radiação cósmica de fundo em micro-ondas, que por sua vez deram origem às estrelas, galáxias e outras estruturas de grande escala no Universo hoje. Esta é a melhor imagem que temos de como se comporta todo o Universo, onde a inflação precede e configura o Big Bang. Infelizmente, só podemos aceder à informação contida no nosso horizonte cósmico, que faz parte da mesma fracção de uma região onde a inflação terminou há cerca de 13,8 mil milhões de anos.

Embora o Big Bang quente original exigisse uma singularidade, a situação agora se torna muito mais obscura com a inflação cósmica adicionada à mistura. Enquanto um Universo em expansão cheio de matéria e radiação pode ser rastreado até uma singularidade, no caso de um Universo em expansão dominado por algum tipo de energia do vácuo - que é o caso da inflação cósmica - a questão de um começo é muito mais importante. menos claro.

Como um espaço-tempo inflacionário se expande exponencialmente, não pode ser rastreado até uma singularidade; apenas de volta a um tamanho cada vez menor - mas ainda finito e diferente de zero.

Enquanto um Universo em expansão não inflacionário (o cenário clássico do Big Bang) tem todas as suas geodésicas inevitavelmente se encontrando em um único ponto no passado, tornando-o um espaço-tempo “completo, semelhante ao tempo passado”, algumas geodésicas remontam infinitamente em espaços-tempos inflacionários. , enquanto outros explodem patologicamente e/ou resultar em singularidades de curvatura , indicando que os espaços-tempos inflacionários são incompletos como o passado . Isto sugere que algo muito provavelmente precedeu a inflação cósmica , e embora seja objeto de muitos interessante pesquisa em andamento , o júri ainda não decidiu se esses espaços-tempos devem incluir uma singularidade ou não.

Por outras palavras, a inflação provavelmente também não foi o “capítulo 1” da história do nosso Universo, e não está actualmente 100% estabelecido se o nosso Universo começou a partir de uma singularidade ou não.

Num Universo que não está em expansão, você pode preenchê-lo com matéria estacionária em qualquer configuração que desejar, mas ele sempre entrará em colapso e se transformará em um buraco negro. Tal Universo é instável no contexto da gravidade de Einstein, e deve estar em expansão para ser estável, ou teremos de aceitar o seu destino inevitável.

Buracos negros e suas singularidades “inevitáveis”

Por outro lado, a situação é muito diferente quando se trata de buracos negros. Na verdade, foi o próprio Einstein quem primeiro observou que se considerarmos qualquer configuração inicial de massa que tenha começado em repouso (o que os relativistas idealizam como “ poeira sem pressão “) dentro de um espaço-tempo estático, ele deve inevitavelmente entrar em colapso. Não “colapsar e formar uma nuvem de poeira”, mas colapsar até se tornar pontual: até formar o que é conhecido como um buraco negro de Schwarzschild (não rotativo) .

No caso de um espaço-tempo que contém um buraco negro de Schwarzschild, o que acontece é que, longe do próprio buraco negro, ele se comporta como qualquer outra massa: deformando e distorcendo a estrutura do espaço-tempo, fazendo com que ele se curve a partir de sua presença, o mesmo de forma que qualquer outra massa de valor equivalente (seja uma nuvem de gás, um planeta, uma estrela, uma anã branca ou uma estrela de nêutrons) a deformaria.

Mas, ao contrário dos outros casos, em que a massa está distribuída por um grande volume do espaço-tempo, no caso de um buraco negro de Schwarzschild, toda essa massa colapsa num único ponto: uma singularidade. Em torno dessa singularidade existe uma fronteira invisível - uma superfície matemática - conhecida como horizonte de eventos, que marca a linha divisória entre onde um objeto, mesmo um que se move à velocidade da luz, pode ou não escapar da atração gravitacional deste “buraco”. ”no espaço-tempo.

Tanto dentro como fora do horizonte de eventos de um buraco negro de Schwarzschild, o espaço flui como uma esteira rolante ou uma cachoeira, dependendo de como você deseja visualizá-lo. No horizonte de eventos, mesmo que você corresse (ou nadasse) à 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.

E chamar isso de “buraco” é realmente apropriado neste caso. Na Relatividade Geral, muitas vezes consideramos o comportamento conhecido como “partículas de teste”, ou seja, algo que podemos descartar com qualquer propriedade que sonhamos [massa (incluindo sem massa), carga, rotação, posição e velocidade ( incluindo, para partículas sem massa, a velocidade da luz) e uma direção para essa velocidade], e pergunte como ela evolui/se comporta na presença deste espaço-tempo. Se você quiser saber o que acontece dentro do seu espaço-tempo - e se você tem uma singularidade ou não, e se o seu espaço-tempo é completo no futuro ou no passado - lançar uma série de partículas de teste, incluindo aquelas sem massa, é uma ótima maneira. descobrir.

No espaço-tempo de Schwarzschild, é possível ter órbitas estáveis ​​muito além da vizinhança do horizonte de eventos, assim como é possível fazer com que os planetas orbitem o Sol ou as estrelas se movam em torno de uma galáxia. No entanto, se você chegar muito perto do horizonte de eventos, esse não será mais o caso. Qualquer quantum de qualquer coisa que atravesse o horizonte de eventos, independentemente de suas outras propriedades, é inevitavelmente atraído para a singularidade central em um período de tempo finito (e breve). Não há caminhos para contornar esse destino e nada que possa salvá-lo dele.

Na verdade, a maior contribuição do famoso Prémio Nobel Roger Penrose para a física, e de facto a contribuição que lhe valeu o Prémio Nobel, foi a demonstração de como a matéria realista, a partir de uma estrela em colapso, cria realmente um horizonte de eventos e resulta num futuro -espaço-tempo completo que termina em uma singularidade.

Uma das contribuições mais importantes de Roger Penrose para a física dos buracos negros é a demonstração de como um objeto realista em nosso Universo, como uma estrela (ou qualquer coleção de matéria), pode formar um horizonte de eventos e como toda a matéria ligada a ele inevitavelmente encontrará a singularidade central. Uma vez formado um horizonte de eventos, o desenvolvimento de uma singularidade central não é apenas inevitável, é extremamente rápido.

Espaço de manobra e a chance de uma saída

Um buraco negro – mesmo a concepção mais antiga e mais simples de buraco negro – preenche todos os critérios necessários para ser um espaço-tempo completo que, de facto, termina numa singularidade. Nesse local, há uma quantidade finita e diferente de zero de massa/energia que existe dentro de um único ponto de tamanho infinitesimal, e isso significa que todas as coisas que você normalmente calcularia, como densidade ou temperatura, simplesmente explodiriam e iriam para infinidade. Isso é o que acontece em uma singularidade, e é realmente um lugar onde comportamentos patológicos são tudo o que você encontra.

Você pode tentar argumentar que o Universo, na realidade, não é descrito por buracos negros de Schwarzschild idealizados. Em vez disso, você pode tentar adicionar ingredientes mais realistas, como o momento angular (ou rotação), e o fato de que todos os buracos negros realistas que observamos parecem não apenas estar girando, mas girar em velocidades bastante relativísticas, ou uma fração apreciável da velocidade da luz.

E isso o levará a algum lugar: a um espaço-tempo diferente, conhecido como espaço-tempo de Kerr, em vez de espaço-tempo de Schwarzschild. Um monte de coisas interessantes acontecem neste espaço-tempo que não ocorrem no caso de não rotação, incluindo que o horizonte de eventos se divide em dois, em um horizonte de eventos interno e externo. Há também uma nova região intermediária, fora do horizonte de eventos externo, conhecida como Ergosfera : onde a energia e a massa podem ser extraídas logo além do horizonte de eventos.

Nas proximidades de um buraco negro, o espaço flui como uma esteira rolante ou uma cachoeira, dependendo de como você deseja visualizá-lo. Ao contrário do caso não rotativo, o horizonte de eventos se divide em dois, enquanto a singularidade central se estende em um anel unidimensional. Ninguém sabe o que ocorre na singularidade central, mas a sua presença e existência não podem ser evitadas com a nossa compreensão atual da física.

No entanto, ainda há uma singularidade no centro. Embora mude, tornando-se não mais um ponto, mas sim um objeto unidimensional espalhado em um anel circular, ainda é uma singularidade: uma linha de densidade infinita, onde novamente surgem essas mesmas patologias e as leis da física entram em colapso. Essa tentativa de se esquivar não levará você a lugar nenhum.

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Você pode tentar imaginar que em algum lugar, dentro do horizonte de eventos, mas antes de chegar à singularidade, existe alguma coleção compacta de matéria que se recusa a entrar em colapso ainda mais. Mas isso também falha devido a um facto da relatividade de Einstein: nenhum sinal, interação ou força pode mover-se mais rapidamente do que a velocidade da luz. Se você deseja que uma partícula que está mais próxima da singularidade (de dentro do horizonte de eventos) empurre uma partícula mais externa e evite que ela caia ainda mais, ela deve se propagar para longe da singularidade. Mas todos os caminhos que partem do horizonte de eventos apenas conduzem mais abaixo e mais perto da singularidade central; você teria que se propagar mais rápido que a velocidade da luz para retroceder. A menos que abandonemos completamente a relatividade, não há esperança nisso.

O que nos deixa apenas dois lugares para virar se quisermos tentar escapar deste destino:

1. Podemos apelar para uma teoria ainda não descoberta que unifica a gravitação e a teoria quântica, como uma teoria quântica da gravidade, e esperar que em algum momento no futuro ela nos permita fazer cálculos sensatos para o que acontece onde, hoje, só podemos colocar uma singularidade .
2. Ou podemos seguir a ideia altamente especulativa (mas pelo menos matematicamente plausível) de que talvez um buraco negro é na verdade uma porta de entrada para um universo bebê recém-nascido que existe dentro dele.

Do lado de fora de um buraco negro, toda a matéria que cai emitirá luz e estará sempre visível, enquanto nada por trás do horizonte de eventos poderá sair. Mas se fosse você quem caísse em um buraco negro, sua energia poderia reemergir como parte de um Big Bang quente em um Universo recém-nascido.

Existem muitos bons motivos para ter esperança no segundo, pois há um mapeamento matemático interessante entre:

1. o interior de um buraco negro de Kerr em rotação conforme você passa pelo horizonte de eventos externo,
2. e um espaço-tempo parece que se expande exponencialmente , como se fosse alimentado por algum tipo de energia inerente à própria estrutura do espaço.

Em outras palavras, é possível que qualquer material que caia em um buraco negro realista irá, em certo sentido (depois de ser dilacerado devido às forças das marés e convertido em uma sopa de quanta fundamentais), emergir mais uma vez no que percebe como um novo Universo, e poderá potencialmente experimentar um Big Bang quente e a evolução cósmica resultante. mais uma vez.

No entanto, essas são as nossas duas únicas e melhores esperanças realistas para evitar o encontro com uma singularidade central dentro de cada buraco negro. Ou a gravidade quântica nos salvará (e boa sorte para descobrir isso, pois é talvez o problema do “Santo Graal” mais difícil de toda a física teórica), ou existe a possibilidade de que cair em um buraco negro irá mastigar você e cuspir seu corpo. remanescentes em um Universo recém-nascido do outro lado. De qualquer forma, enquanto estivermos presos no nosso Universo, e enquanto as leis da Relatividade Geral se mantiverem, parece que uma singularidade no centro de cada buraco negro é realmente inevitável.

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