O resultado poderia ser coisa mais próxima ainda de uma observação do fenômeno bizarro.
Os buracos negros não são realmente negros. Em vez disso, estes dissipadores gravitacionais emitem radiação que provoca a diminuir e eventualmente o seu desaparecimento. Este fenômeno, uma das coisas mais estranhas sobre buracos negros, foi previsto por Stephen Hawking mais de 40 anos atrás, criando problemas para física teórica que ainda convulsionam o campo.
Agora, depois de sete anos de estudo, muitas vezes solitários, Jeff Steinhauer, um físico experimental no Instituto Technion-Israel de Tecnologia em Haifa, criou um buraco negro artificial que parece emitir tal “radiação Hawking” por conta própria, a partir de flutuações quânticas que emergem do seu set-up experimental.
É quase impossível observar a radiação Hawking em um buraco negro real, e anteriores experiências de buracos negros artificiais não traçaram sua radiação a partir de flutuações espontâneas. Assim, o resultado, publicado em 15 de agosto [1], pode ser a coisa mais próxima ainda de uma observação da radiação Hawking.
Steinhauer diz que os análogos de buracos negros podem ajudar a resolver alguns dos dilemas que o fenômeno representa para outras teorias, incluindo o chamado Paradoxo da Informação do Buraco Negro, e talvez apontar o caminho para unir a mecânica quântica com a teoria da gravidade em uma teoria da gravitação quântica.
Outros físicos estão impressionados, mas eles alertam que os resultados não são claros. E alguns duvidam que os análogos de laboratório podem revelar muito sobre buracos negros reais. “Esta experiência é realmente incrível”, diz Silke Weinfurtner, um físico teórico e experimental da Universidade de Nottingham, Reino Unido. “Ela não prova que a radiação Hawking existe em torno de buracos negros astrofísicos.”
Foi em meados da década de 1970 que Hawking, físico teórico da Universidade de Cambridge, Reino Unido, descobriu que o horizonte de eventos de um buraco negro – a superfície da qual nada, incluindo a luz, pode escapar – deverá ter consequências peculiares para a física.
Trabalhando sozinho, Jeff Steinhauer criou sua própria versão da radiação Hawking a partir de buracos negros acústicos.
Seu ponto de partida foi a de que a aleatoriedade da teoria quântica descartou a existência do nada real. Mesmo a região mais vazia do espaço está repleta de flutuações nos campos de energia, fazendo com que pares de fótons apareçam continuamente, apenas para destruir imediatamente o outro. Mas, assim como Pinóquio passou de um boneco para um menino, esses fótons “virtuais” poderia tornar-se partículas reais se o horizonte de eventos separá-los antes que eles pudessem se aniquilar mutuamente. Um fóton cairia dentro do horizonte de eventos e o outro pode escapar para o espaço.
Isto, mostrou Hawking, faz com que os buracos negros irradiem – embora extremamente débil – e, em última análise encolham e desapareçam, porque a partícula que cai dentro sempre tem uma “energia negativa” que esgota o buraco negro. De um modo mais controverso, Hawking também sugeriu que o desaparecimento de um buraco negro destrói todas as informações sobre os objetos que caírem nele, contrariando a sabedoria aceita que a quantidade total de informação no Universo permanece constante.
No início de 1980, o físico Bill Unruh da Universidade de British Columbia, em Vancouver, Canadá, propôs uma maneira de testar algumas das previsões de Hawking [2]. Ele imaginou um meio que experimentava um movimento acelerado, como a água se aproximando de uma cachoeira. Como um nadador chegando a um ponto onde ele não pode nadar rápido o suficiente para escapar da cachoeira, ondas sonoras que estão além do ponto no meio que ultrapassa a velocidade do som se tornariam incapazes de se mover contra o fluxo. Unruh previu que este ponto é equivalente a um horizonte de eventos – e que ele deve exibir uma forma sonora da radiação Hawking.
Steinhauer implementou a ideia de Unruh em uma nuvem de átomos de rubídio que arrefeceram-se em uma fração de um grau acima do zero absoluto. Contido em uma armadilha em forma de charuto de milímetros de comprimento, os átomos entraram num estado quântico chamado um Condensado de Bose-Einstein (CBE), em que a velocidade do som era apenas metade de um milímetro por segundo. Steinhauer criou um horizonte de eventos, acelerando os átomos até que alguns estivessem viajando a s superior a 1 mm s−1 – uma velocidade supersônica para o condensado.
Na sua temperatura ultrafria, a BEC sofre apenas flutuações quânticas fracas que são semelhantes as do espaço de vácuo. E estas devem produzir pacotes de som chamado fônons, assim como o vácuo produz fótons, diz Steinhauer. Os parceiros devem separar-se uns dos outros, com um parceiro no lado supersônico do horizonte e a outro formando a radiação Hawking.
De um lado do seu horizonte de eventos acústico, onde os átomos se movem a velocidades supersônicas, fônons ficam presos. E quando Steinhauer tirava os fotos do CBE [3], ele encontrou correlações entre as densidades de átomos que estavam a uma distância igual a partir do horizonte de eventos, mas em lados opostos. Isso demonstra que os pares de fônons foram emaranhados – um sinal de que eles se originaram espontaneamente da mesma flutuação quântica, diz ele, e que o CBE estava produzindo radiação de Hawking.
Por outro lado, a radiação que ele observou em uma versão anterior do set-up teve que ser acionada em vez de surgirem a partir do próprio CBE [3] , ao passo que uma experiência anterior em ondas de água lideradas por Unruh e Weinfurtner não tentou mostrar efeitos quânticos [4].
Assim como os buracos negros reais não são negros, os buracos negros acústicos de Steinhauer não são completamente silenciosos. O som deles, se fosse audível, poderia se parecer com o ruído estático.
“Com certeza, este é um papel pioneiro”, diz Ulf Leonhardt, físico do Instituto de Ciência Weizmann, em Rehovot, Israel, que lidera uma tentativa diferente para demonstrar o efeito, através de ondas de laser em fibra óptica. Mas ele diz que a evidência de emaranhamento parece incompleta, porque Steinhauer demonstrou correlações apenas para fônons de altas energias, com pares de fônons de baixa energia aparentemente não correlacionados. Ele também diz que não está confiante de que o meio é um verdadeiro CBE, que, segundo ele, significa que poderia haver outros tipos de flutuação que poderiam imitar a radiação Hawking.
Também não está claro o que análogos podem dizer sobre os mistérios que cercam os verdadeiros buracos negros. “Eu não acredito que vai iluminar a informação chamada paradoxo”, dizsse Leonard Susskind, um físico teórico da Universidade de Stanford, na Califórnia. Em contraste com o caso de buracos negros astrofísicos, não há perda de informação no buraco negro acústico de Steinhauer porque a CBE não evapora.
Ainda assim, se os resultados da Steinhauser forem confirmados, será um triunfo para Hawking, talvez no mesmo sentido que a detecção esperada do bóson de Higgs foi um triunfo para Higgs, disse Susskind. Poucos duvidavam de que existia a partícula, mas a sua descoberta em 2012 ainda rendeu a Peter Higgs e outro teórico, François Englert, que preveu isso, um prêmio Nobel.
Traduzido e adaptado de Nature