Pode um análogo de fluido de um buraco negro direcionar os físicos à teoria da gravidade quântica?
Em uma palestra 1972 na Universidade de Oxford, um jovem físico chamado William Unruh pediu ao público para imaginar um peixe gritando à medida que mergulha sobre uma cachoeira. A água cai tão rápido nesta cascata fictícia que excede a velocidade do som a um certo ponto ao longo do caminho. Após o peixe cair para além deste ponto, a água varre seus gritos para baixo mais rapidamente do que as ondas sonoras podem viajam para cima, e o peixe já não pode ser ouvido por seus amigos no rio acima.
Algo semelhante acontece, explicou Unruh, quando você cair em um buraco negro. Quando você se aproxima um desses objetos super-densos, o tecido do espaço e do tempo tornam-se cada vez mais curvo – o equivalente a fortalecer a gravidade, de acordo com a teoria geral da relatividade de Albert Einstein. Em um ponto de não retorno conhecido como o “horizonte de eventos”, a curvatura do espaço-tempo se torna tão íngreme que os sinais não podem mais subir para o mundo exterior. Dentro do horizonte de eventos, até mesmo a luz é mantida em cativeiro pela gravidade do buraco negro, tornando os buracos negros invisíveis.
Nos anos seguintes, a palestra de Unruh, buracos negros – Locais onde a relatividade geral e a mecânica quântica, os dois pilares da física moderna, se encontram e desmoronam em um paradoxo – saiu da obscuridade para se tornar tema central na busca de uma teoria abrangente de “gravidade quântica. “Enquanto isso, a analogia acústica de Unruh acabou por funcionar ainda melhor do que ele pensava. Em um trabalho seminal de 1981, ele mostrou que horizontes de eventos do buraco negro e horizontes sonoros em sistemas como sua cachoeira – que são agora referidos como buracos negros acústicos ou sônicos – podem ser descritos pelas equações idênticas. Considerando as suas “surpreendentes semelhanças matemáticas”, disse Unruh, um professor da Universidade de British Columbia, em Vancouver, recentemente, “você tem a sensação de que, se você realmente entender um sistema, isso lhe dará uma visão sobre o outro.”
Pesquisadores começaram a canalizar a física dos buracos negros acústicos para buscar pistas sobre os buracos negros reais. E nos últimos anos, eles começaram a criar buracos negros acústicos no laboratório e elaborando de experimentos analógicos cada vez mais sofisticados. Este verão passado, Jeff Steinhauer do Technion em Haifa, Israel, informou o melhor achado: a detecção do análogo sonora da radiação Hawking, um fenômeno buraco negro hipotético predito por Stephen Hawking em 1974.
A previsão de Hawking de que buracos negros irradiam calor e, eventualmente evaporam completamente, dá origem ao profundo “paradoxo da informação“, que questiona o que acontece com as informações do material que caiu no buraco negro. Cálculos de Hawking sugerem que essa informação é perdida, essencialmente vazando do Universo quando ela entra em um buraco negro; nesse caso, o quadro da mecânica quântica, que trata as informações como algo fundamental e indestrutível do Universo, deve ser abandonada. Mas se a informação é preservada, como a maioria dos físicos acredita, então a previsão de Hawking está errado, e a tarefa para qualquer teoria da gravidade quântica é revelar a falha em sua lógica. O paradoxo da informação “aguçou o desafio do que precisamos para enfrentar a entender a gravidade quântica”, disse Raphael Bousso, um físico teórico da Universidade da Califórnia, Berkeley, que era protegido de Hawking.
Por toda a sua importância, o cálculo de Hawking não pode ser testado diretamente; a radiação dos buracos negros reais é demasiado fraca para detectar. A medição do efeito análogo em um buraco negro sônico – neste caso, as unidades quânticas de som irradiando para fora a partir de um horizonte sonoro, portanto, traz uma pergunta de longa data: buracos negros sonoros são verdadeiros análogos de buracos negros? Mais especificamente, as descobertas de Steinhauer indiretamente validam o cálculo de Hawking, provando que a informação é perdida nos buracos negros?
“Todo mundo na comunidade está dizendo: ‘Uau, foram grandes experiências!'”, Disse Daniele Faccio, físico da Universidade Heriot-Watt, em Edimburgo, na Escócia, que também estuda analógicos de buracos negros. “Mas eu acho que um monte de pessoas estão dizendo: ‘O que elas significam?'”
Alguns pesquisadores vêem a evidência indireta da radiação Hawking no experimento de Steinhauer. Em um artigo publicado online no mês passado, o que fez o físico-filósofo Karim Thebault, da Universidade de Bristol, da Inglaterra, argumentar que “um buraco negro analógico pode ser criado para ‘ficar em’ um buraco negro astrofísico.” Outros vêem como uma premissa falsa. Daniel Harlow, um físico teórico da Universidade de Harvard, considerou o experimento “um feito divertido de engenharia”, que “não vai nos ensinar alguma coisa sobre buracos negros.”
A questão de qual interpretação está correta se resume ao que, exatamente, o cálculo de Hawking há 42 anos revelou sobre o universo.
Surpreendentemente, ele mostrou que os buracos negros não são negros; a instabilidade quântica aleatória faze-os brilhar. Em todos os lugares no espaço-tempo, pares de partículas “virtuais” surgem constantemente e mutuamente aniquilam-se. Hawking percebeu que quando esses pares surgem abrangendo o horizonte de um buraco negro, uma partícula virtual será sugada enquanto a sua parceiro escapa, impedindo a sua destruição mútua. A partícula que escapou torna-se real, roubando a energia necessária para a atualização do campo gravitacional do buraco negro. Enquanto isso, a partícula que cai adquire energia negativa, diminuindo a energia do buraco negro. Assim, uma partícula se irradia de cada vez, e o buraco negro perde radiação e massa, em última análise, não deixando nenhum vestígio: o cálculo de Hawking indicou que a radiação é “térmica”, que consiste de uma propagação de traços característicos e aleatórios de energias que codificam-se sem detalhes gerais sobre a estrela colapsada que formou o buraco negro, ou sobre qualquer outra coisa de interesse que possa ter caído no buraco negro.
É aí que reside o paradoxo. De acordo com a mecânica quântica, as probabilidades de todos os estados possíveis de partículas no universo deve respeitar a “unitariedade,” evoluindo de tal forma que os estados anteriores do universo podem, em princípio, serem sempre determinados exclusivamente rebobinando a partir do seu estado atual. Mas se a informação é perdida quando um buraco negro evaporar em um gás sem traços característicos da radiação de Hawking, dessa forma, o passado do Universo não poderá ser acessado a partir do presente, e a mecânica quântica se quebra.
Ou talvez Hawking errou.
Para fazer o seu cálculo, ele fez um pressuposto fundamental: que o espaço-tempo é suave e contínuo no horizonte de um buraco negro, como descrito pela relatividade geral. Os físicos acreditam que esta é uma aproximação; aumentar muito o zoom no continuum espaço-tempo de Einstein, e uma forma mais fundamental, onde a gravitação quântica emerge. Mas, enquanto a gravitação quântica, certamente torna-se importante perto do centro super-densa de um buraco negro, conhecido como sua “singularidade”, Hawking assumiu que ele poderia encobrir essa física de curta distância na sua descrição das flutuações quânticas no horizonte, onde a gravidade é relativamente leve. De acordo com a relatividade geral, a inclinação do espaço-tempo é suave o suficiente para que o horizonte de um buraco negro supermassivo típico (como aqueles nos centros de muitas galáxias), que um astronauta flutuando que passando perto dele não iria nem perceber.
William Unruh, um físico da Universidade de British Columbia, encontrou uma analogia ligando buracos negros reais e buracos negros acústicos em um artigo seminal de 1981. Cortesia de William Unruh
Em 1981, Unruh descobriu que o esquema de aproximação de Hawking também podia ser aplicada a fluidos. Assim como o espaço-tempo, os fluidos parecem contínuos em grandes escalas, embora que, no fundo, eles sejam feitos de átomos discretos. Unruh mostrou que, assim como pares de partículas flutuam dentro e fora do espaço-tempo, vibrações chamadas “fônons“, as unidades quânticas de som, devem surgir na superfície ao longo de fluidos. E quando pares de fônons surgem perto do horizonte sonoro de um buraco negro acústico, eles devem ficar arrancados distante e tornam-se permanentes, produzindo o análogo sonoro da radiação Hawking.
Este é o fenômeno que Jeff Steinhauer relatatou em agosto na Nature Physics, depois de labutar sobre a sua experiência desde 2009 – “exclusivamente, durante o dia todo, todos os dias”, disse ele. Ele criou um fluido exótico chamado de “Bose-Einstein” a partir de átomos de rubídio super-resfriados. Ele então conseguiu fluindo e destruindo parcialmente o fluido ao longo do seu percurso de fluxo com um laser, acelerando-o a uma velocidade supersônica e criando um horizonte sonoro. Finalmente, Steinhauer mediu o entrelaçamento quântico entre pares de fónons em ambos os lados deste horizonte, o que é consistente com radiação Hawking sônica.
A descoberta confirma que a aproximação de fluido funciona no caso de buracos negros acústicos. “A questão é, quão relacionadas são as aproximações?”, Disse Stephan Hartmann , um filósofo de física na Universidade Ludwig Maximilian em Munique, Alemanha. Se os buracos negros sonoros servem como um verdadeiro análogo, então a aproximação de Hawking é correta, o horizonte de eventos é um lugar sem incidentes, e informação é destruída em buracos negros, o que significa que as regras probabilísticas da mecânica quântica devem ser substituídas por uma estrutura mais fundamental. Se aproximação de Hawking está errada, os buracos negros sônicos não são bons indicadores de buracos negros e a gravidade quântica pode de alguma forma codificar a história do buraco negro na sua radiação, preservando informações de como os buracos negros evaporaram.
Unruh acredita que a aproximação de Hawking está correta. Em 2005, ele e Ralf Schützhold da Universidade de Duisburg-Essen, na Alemanha mostraram que a radiação Hawking consistentemente saiu como uma previsão teórica robusta em ambos os buracos negros sonoros e buracos negros reais, não importando os pressupostos teóricos que fizeram sobre os detalhes da física de curta distância. As propriedades de pequena escala do espaço-tempo ou fluidos nunca afetaram o resultado do cálculo, o que sugere que a aproximação de Hawking não estava encobrindo alguma coisa importante. Unruh interpreta isso como significando que os efeitos da gravidade quântica não são capazes de modificar a radiação Hawking e resgatar informações. Em sua opinião, o resultado de Steinhauer adiciona à evidência que “esta radiação térmica é um fenômeno muito robusto”, e, portanto, que “a informação é perdida.”
Jeff Steinhauer, um físico do Technion em Haifa, Israel, afirma ter detectado o análogo acústico da radiação de Hawking em um buraco negro sônico.
No entanto, a maioria dos pesquisadores de gravidade quântica acreditam que a informação é preservada – incluindo Hawking, que mudou de campus na década de 2000. De sua perspectiva, um análogo à radiação Hawking em buracos negros sonoros não diz nada sobre os verdadeiros buracos negros porque os dois são categoricamente diferentes; Considerando que a aproximação do fluido é precisa no caso dos buracos negros sônicas, o espaço-tempo não deve ser de aproximadamentTe suave em horizontes de eventos do buraco negro. De alguma forma, a gravidade quântica modifica horizontes – e deve fazê-lo de forma extrema, para contornar o argumento de Unruh e Schutzhold sobre a robustez da radiação Hawking. “Estamos em uma situação em que algo grande tem que dar”, disse Bousso. “Mas nós ainda não sabemos exatamente o que deverá substituir a relatividade geral com o horizonte.”
Alguns experimentos mentais sugerem que os buracos negros podem ser cascas vazias que carregam todas as suas informações estampadas em seus horizontes e projetam-las para fora, para o resto do Universo como hologramas. Nesse caso, cair em um buraco negro seria menos como um peixe mergulhando sobre uma cachoeira e mais como um inseto se espatifando em uma janela.
Na opinião da maioria, a comparação com os buracos negros sonoros só reforça quão estranhos buracos negros e a teoria da gravidade quântica devem ser. Harlow, que leva esse ponto de vista, vê buracos negros acústicos não como análogos de buracos negros, mas mais como simulações de computador que estão executando as equações erradas. Se você for simular as equações da gravitação quântica “, então eu espero que você encontre a resposta certa”, disse ele. “Atualmente, eu não sei quais equações lhe dar.”
Este artigo foi reimpresso em Wired.com .
Traduzido e adaptado de QuantaMagazine