Por que o interior dos buracos negros crescem (quase) para sempre? - Mistérios do Universo

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17 de dezembro de 2018

Por que o interior dos buracos negros crescem (quase) para sempre?

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Leonard Susskind, um pioneiro da teoria das cordas, o princípio holográfico e outras grandes idéias da física que atravessam o último meio século, propuseram uma solução para um importante enigma sobre os buracos negros. O problema é que, embora essas esferas misteriosas e invisíveis pareçam ter um tamanho constante quando vistas de fora, seus interiores continuam crescendo em volume essencialmente para sempre. Como isso é possível?


Em uma série de artigos e palestras recentes, o professor de 78 anos da Universidade de Stanford e seus colaboradores conjeturam que os buracos negros crescem em volume porque estão aumentando em complexidade - uma ideia que, apesar de não comprovada, está alimentando um novo pensamento sobre a natureza da gravidade quântica dentro dos buracos negros.

Os buracos negros são regiões esféricas de extrema gravidade que nem a luz consegue escapar. Descobertos pela primeira vez há um século como soluções chocantes para as equações da teoria geral da relatividade de Albert Einstein, eles já foram detectados em todo o Universo. (Eles normalmente se formam a partir do colapso gravitacional de estrelas mortas.) A teoria de Einstein iguala a força da gravidade com curvas no espaço-tempo, o tecido quadridimensional do Universo, mas a gravidade se torna tão forte em buracos negros que o espaço-tempo tecido curva-se em direção ao seu ponto de ruptura - a infinitamente densa “singularidade” no centro do buraco negro.

Segundo a relatividade geral, o colapso gravitacional interno nunca pára. Mesmo que, do lado de fora, o buraco negro pareça permanecer em um tamanho constante, expandindo-se ligeiramente apenas quando novas coisas caem nele, seu volume interior fica maior e maior o tempo todo conforme o espaço se estende em direção ao ponto central. Para uma imagem simplificada desse crescimento eterno, imagine um buraco negro como um funil que se estende para baixo a partir de uma folha bidimensional representando o tecido do espaço-tempo. O funil se aprofunda cada vez mais, de modo que as coisas caem mas nunca alcancem a misteriosa singularidade na parte inferior. Na realidade, um buraco negro é um funil que se estende para dentro de todas as três direções espaciais. Um limite esférico envolve o chamado “horizonte de eventos”, marcando o ponto sem retorno.

Desde pelo menos a década de 1970, os físicos reconheceram que os buracos negros devem ser realmente sistemas quânticos de algum tipo - assim como todo o resto do Universo. O que a teoria de Einstein descreve como espaço-tempo distorcido no interior é presumivelmente um estado coletivo de um vasto número de partículas gravitacionais chamadas “gravitons”, descritas pela verdadeira teoria quântica da gravidade. Nesse caso, todas as propriedades conhecidas de um buraco negro devem seguir as propriedades desse sistema quântico.

De fato, em 1972, o físico israelense Jacob Bekenstein descobriu que a área do horizonte de eventos esféricos de um buraco negro corresponde à sua “entropia”. Esse é o número de diferentes arranjos microscópicos possíveis de todas as partículas dentro do buraco negro, ou como os teóricos modernos descreveriam, a capacidade de armazenamento de informações do buraco negro.
O insight de Bekenstein levou Stephen Hawking a perceber, dois anos depois, que os buracos negros têm temperaturas e que, portanto, irradiam calor. Essa radiação faz com que os buracos negros evaporem lentamente, dando origem ao muito discutido “paradoxo da informação do buraco negro”, que indaga o que acontece com a informação que cai nos buracos negros. A mecânica quântica diz que o Universo preserva todas as informações sobre o passado. Mas, e sobre as informações sobre as coisas que parecem deslizar para sempre em direção à singularidade central, elas também evaporam?

A relação entre a área de superfície de um buraco negro e seu conteúdo de informação manteve os pesquisadores da gravidade quântica ocupados por décadas. Mas pode-se perguntar também: a que corresponde o volume crescente de seu interior, em termos quânticos? “Por alguma razão, ninguém, incluindo eu mesmo por vários anos, realmente pensou muito sobre o que isso significa”, disse Susskind. “O que é que está crescendo? Isso deveria ter sido um dos principais enigmas da física dos buracos negros. ”

Leonard Susskind, professor de física teórica na Universidade de Stanford, em casa, em Palo Alto, Califórnia.


Nos últimos anos, com o surgimento da computação quântica, os físicos vêm ganhando novos insights sobre sistemas físicos como os buracos negros, estudando suas habilidades de processamento de informações - como se fossem computadores quânticos. Esse ângulo levou Susskind e seus colaboradores a identificar um candidato para a propriedade quântica em evolução dos buracos negros subjacentes ao seu crescente volume. O que está mudando, dizem os teóricos, é a "complexidade" do buraco negro - aproximadamente uma medida do número de cálculos que seriam necessários para recuperar o estado quântico inicial do buraco negro, no momento em que ele se formou. Após sua formação, como as partículas dentro do buraco negro interagem umas com as outras, as informações sobre seu estado inicial ficam cada vez mais embaralhadas. Consequentemente, sua complexidade cresce continuamente.

Usando modelos que representam buracos negros como hologramas, Susskind e seus colaboradores mostraram que a complexidade e o volume dos buracos negros crescem na mesma proporção, sustentando a ideia de que um deles pode estar por trás do outro. E enquanto Bekenstein calculou que os buracos negros armazenam a maior quantidade possível de informação dada a sua área de superfície, os achados de Susskind sugerem que eles também crescem em complexidade no ritmo mais rápido possível permitido pelas leis físicas.

John Preskill, um físico teórico do Instituto de Tecnologia da Califórnia que também estuda buracos negros usando a teoria da informação quântica, acha a ideia de Susskind muito interessante. “É muito legal que essa noção de complexidade computacional, que é algo em que um cientista da computação possa pensar e não faz parte da mania de truques do físico usual”, disse Preskill, “possa corresponder a algo que é muito natural para alguém quem sabe a relatividade geral para pensar", ou seja, o crescimento de interiores de buracos negros.

Os pesquisadores ainda estão intrigados com as implicações da tese de Susskind. Aron Wall , um teórico em Stanford (que em breve se mudou para a Universidade de Cambridge), disse: “A proposta, embora emocionante, ainda é bastante especulativa e pode não estar correta.” Um desafio é definir complexidade no contexto dos buracos negros, Wall disse, a fim de esclarecer como a complexidade das interações quânticas pode dar origem ao volume espacial.

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Uma lição em potencial, segundo Douglas Stanford, especialista em buracos negros do Instituto de Estudos Avançados de Princeton, em Nova Jersey, “é que os buracos negros têm um tipo de relógio interno que guarda o tempo (a quarta dimensão) por um longo período. Para um sistema quântico comum”, disse ele,  “essa é a complexidade do estado. Para um buraco negro, é o tamanho da região atrás do horizonte”.

Se a complexidade está subjacente ao volume espacial nos buracos negros, Susskind prevê consequências para nossa compreensão da cosmologia em geral. “Não são apenas os interiores de buracos negros que crescem com o tempo. O espaço cosmológico cresce com o tempo”, disse ele. “Eu acho que é uma questão muito, muito interessante, se o crescimento cosmológico do espaço está ligado ao crescimento de algum tipo de complexidade. E se o relógio cósmico, a evolução do Universo, está conectado com a evolução da complexidade. Não sei a resposta.

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