Por que o Enigma do Buraco Negro de Stephen Hawking Continua Fascinante?
O renomado físico britânico, que morreu hoje aos 76 anos, deixou um enigma que eventualmente poderá levar seus sucessores à teoria da gravidade quântica.
O famoso físico britânico Stephen Hawking, que morreu hoje aos 76 anos, era um homem de apostas, entrando regularmente em apostas amigáveis com seus colegas sobre questões-chave na física teórica. “Eu percebi quando Stephen e eu nos conhecemos pela primeira vez que ele gostaria de ser tratado irreverentemente”, escreveu John Preskill , físico do Instituto de Tecnologia da Califórnia, mais cedo no Twitter. “Então, no meio de uma discussão científica, eu poderia interpor:” O que o faz tão certo disso, Sr. Know-It-All?” Sabendo que Stephen responderia com os olhos brilhando: “Quer apostar?”
E aposta que eles fizeram. Em 1991, Hawking e Kip Thorne apostaram que a informação que cai em um buraco negro é destruída e nunca pode ser recuperada. Chamado o paradoxo da informação do buraco negro, essa perspectiva segue da histórica descoberta de Hawking em 1974 sobre buracos negros — regiões de gravidade inescapável, onde o espaço-tempo curva-se abruptamente em direção a um ponto central conhecido como singularidade. Hawking mostrou que os buracos negros não são realmente negros. A incerteza quântica faz com que eles irradiem uma pequena quantidade de calor, denominada “radiação Hawking”. Eles perdem massa no processo e, finalmente, evaporam-se. Essa evaporação leva a um paradoxo: qualquer coisa que caia em um buraco negro aparentemente será perdida para sempre, violando a “unitaridade” — um princípio central da mecânica quântica que diz que o presente sempre preserva informações sobre o passado.
Hawking e Thorne argumentaram que a radiação emitida por um buraco negro seria muito irremediada para recuperar qualquer informação útil sobre o que caiu nele, mesmo em princípio. Preskill apostou que a informação de alguma forma escapa a buracos negros, mesmo que os físicos presumivelmente precisem de uma teoria completa da gravidade quântica para entender o mecanismo de como isso poderia acontecer.
Os físicos pensaram que resolveram o paradoxo em 2004 com a noção da complementaridade do buraco negro. De acordo com esta proposta, a informação que atravessa o horizonte de eventos de um buraco negro reflete novamente e passa para dentro, para nunca escapar. Como nenhum observador pode estar dentro e fora do horizonte do buraco negro, ninguém pode testemunhar ambas as situações simultaneamente, e nenhuma contradição surge. O argumento foi suficiente para convencer Hawking para conceder a aposta. Durante uma conversa em julho de 2004 em Dublin, Irlanda, ele apresentou a Preskill a oitava edição do Total Baseball: The Ultimate Baseball Encyclopedia , “da qual a informação pode ser recuperada à vontade”.
Thorne, no entanto, recusou-se a conceder, e parece que ele estava certo em fazê-lo. Em 2012, surgiu uma nova reviravolta sobre o paradoxo. Ninguém explicou exatamente como as informações saem de um buraco negro e que a falta de um mecanismo específico inspirou Joseph Polchinski e três colegas a revisitar o problema. A sabedoria convencional há muito julgava que, uma vez que alguém passasse no horizonte de evento, eles seriam lentamente separados pela extrema gravidade à medida que caíam em direção à singularidade. Polchinski e seus co-autores argumentaram que, em vez disso, os observadores que caíam encontrariam uma parede de fogo literal no horizonte de evento, queimando antes de se aproximar da singularidade.
No cerne do quebra-cabeça da parede de fogo, há um conflito entre três postulados fundamentais. O primeiro é o princípio da equivalência da teoria geral da relatividade de Albert Einstein: porque não há diferença entre a aceleração devida à gravidade e a aceleração de um foguete, uma astronauta chamada Alice não deve sentir nada mal quando atravessa um horizonte do buraco negro. O segundo é a unitaridade, o que implica que a informação não pode ser destruída. Por fim, há uma localidade, que afirma que os eventos que acontecem em um ponto particular do espaço só podem influenciar os pontos nas proximidades. Isso significa que as leis da física devem funcionar como esperado longe de um buraco negro, mesmo que eles se quebram em algum ponto dentro do buraco negro — seja na singularidade ou no horizonte de evento.
Para resolver o paradoxo, um dos três postulados deve ser sacrificado, e ninguém pode concordar sobre qual deve ser o machado. A solução mais simples é ter o princípio da equivalência quebrando no horizonte de evento, dando origem a uma parede de fogo. Mas várias outras soluções possíveis foram propostas nos anos seguintes.
Por exemplo, alguns anos antes do artigo da parede de fogo, Samir Mathur, um teórico de cordas na Ohio State University, levantou problemas semelhantes com sua noção de fuzzballs dos buracos negros . Fuzzballs não são poços vazios, como buracos negros tradicionais. Eles são cheios de cordas (o tipo da teoria das cordas) e têm uma superfície como uma estrela ou planeta. Eles também emitem calor sob a forma de radiação. O espectro dessa radiação, encontrou Mathur, corresponde exatamente à previsão de radiação Hawking. Sua “conjectura de fuzzball” resolve o paradoxo ao declarar que é uma ilusão. Como a informação pode ser perdida para além do horizonte de evento se não houver horizonte de eventos?
O próprio Hawking pesou no debate da parede de fogo em linhas semelhantes através de um artigo livre de equações de duas páginas publicado no site científico de pré-impressão arxiv.org no final de janeiro de 2014 — um resumo das observações informais que ele fez através do Skype para um pequena conferência na primavera anterior. Ele propôs uma repensação do horizonte de eventos. Em vez de uma linha definitiva no céu a partir da qual nada poderia escapar, ele sugeriu que poderia haver um “horizonte aparente”. As informações são apenas temporariamente confinadas atrás desse horizonte. A informação eventualmente escapa, mas de forma tão revoltada que nunca pode ser interpretada. Ele comparou a tarefa de previsão do tempo: “Não se pode prever o tempo com mais de alguns dias de antecedência”.
Em 2013, Leonard Susskind e Juan Maldacena , físicos teóricos da Universidade de Stanford e do Instituto de Estudos Avançados, respectivamente, fizeram uma tentativa radical de preservar a localidade que denominaram “ER = EPR”. Segundo essa ideia, talvez o que pensamos seja distante, os pontos no espaço-tempo não estão tão longe, afinal. Talvez o emaranhamento crie buracos de minhoca microscópicos invisíveis que conectem pontos aparentemente distantes. Em forma de um polvo, um tal poço de minhoca iria ligar o interior do buraco negro diretamente à radiação Hawking, de modo que as partículas ainda dentro do buraco estariam diretamente conectadas a partículas que escaparam há muito tempo, evitando a necessidade de informações para passar o horizonte de evento.
Os físicos ainda não conseguiram chegar a um consenso sobre qualquer uma dessas soluções propostas. É uma homenagem ao gênio único de Hawking que eles continuam a argumentar sobre o paradoxo da informação do buraco negro há tantas décadas depois de seu trabalho sugeri-lo pela primeira vez.