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Stephen Hawking questiona buracos negros

Em artigo recente, Hawking afirma que “horizonte de eventos” é incompatível com a teoria quântica

lonely/shutterstock
Por Zeeya Merali e revista Nature

A maioria dos físicos suficientemente imprudentes para escrever um artigo afirmando que “não existem buracos negros”, pelo menos não no sentido que costumamos imaginar, provavelmente seriam descartados como malucos ou excêntricos. Mas quando o apelo para redefinir esses aniquiladores cósmicos vem de Stephen Hawking, vale à pena prestar atenção.

Em um artigo publicado on-line, o físico sediado na University of Cambridge, no Reino Unido, e um dos criadores da moderna teoria dos buracos negros, descarta a noção de um horizonte de eventos, a fronteira invisível que se acreditava encobrir cada buraco negro e além da qual nada, nem mesmo a luz, pode escapar.

Em seu lugar, a nova proposta radical de Hawking é um “horizonte aparente”, muito mais benigno, que só mantém matéria e energia prisioneiras temporariamente antes de libertá-las em algum momento, ainda que de forma muito mais distorcida.

“Não há como escapar de um buraco negro na teoria clássica”, Hawking declarou à Nature. A teoria quântica, no entanto, “permite que energia e informação escapem de um buraco negro”. O físico admite que uma explicação completa do processo exigiria uma teoria que fundisse favoravelmente gravidade com outras forças fundamentais da natureza. Mas essa meta tem fugido dos físicos há quase um século. “A abordagem correta permanece um mistério”, reconhece.

Hawking postou ser artigo no servidor pré-impressão arXiv em 22 de janeiro. Intitulado enigmaticaticamente “Preservação de informação e previsão de tempo para buracos negros”, o material ainda precisa passar pela revisão por pares. O trabalho se baseou em uma palestra que ele proferiu via Skype em um encontro no Instituto Kavli de Física Teórica, em Santa Barbara, na Califórnia, em agosto de 2013 (assista ao vídeo da palestra [em inglês]).

 

Combate ao fogo

O novo trabalho de Hawking é uma tentativa de resolver o que é conhecido como “black hole firewall paradox”, ou “paradoxo da muralha de fogo”, que vem perturbando físicos há quase dois anos após ser descoberto pelo físico teórico Joseph Polchinski do Instituto Kavli e seus colegas (ver o artigo “Astrophysics: Fire in the hole!” publicado na Nature on-line em 3 de abril de 2013 [em inglês]).

Em um experimento mental, os pesquisadores ponderaram o que aconteceria com um astronauta que tivesse o grande azar de cair em um buraco negro. Matematicamente, horizontes de eventos são simples consequências da teoria geral da relatividade de Albert Einstein, que foram apontados pela primeira vez pelo astrônomo alemão Karl Schwarzschild em uma carta que escreveu para Einstein no final de 1915, menos de um mês após a publicação da teoria.

Físicos vinham presumindo há muito tempo que, nesse cenário, o/a astronauta passaria tranquilamente através do horizonte de eventos, alheio à sua iminente morte, antes de ser sugado gradualmente para dentro do buraco, sendo esticado ao longo do caminho como espaguete e por fim esmagado na “singularidade”, o núcleo hipotético infinitamente denso do buraco negro.

Mas ao analisar a situação em detalhes, a equipe de Polchinski chegou à surpreendente conclusão de que as leis da mecânica quântica, que regem partículas em pequenas escalas, mudam a conjuntura completamente. Segundo os cientistas, a teoria quântica dita que o horizonte de eventos precisa de fato ser transformado em uma região altamente energética (“firewall” ou “muralha de fogo”), que queimaria o astronauta, deixando-o completamente tostado.

Isso foi alarmante porque, embora a muralha de fogo obedecesse a regras quânticas, ela desafiava a teoria geral da relatividade de Einstein. De acordo com ela, alguém em queda livre deveria perceber as leis da física como sendo idênticas em todo o Universo, seja caindo em um buraco negro ou flutuando no espaço intergaláctico vazio. No que diz respeito a Einstein, o horizonte de eventos deveria ser um lugar indistinto, bem comum.

Além do horizonte

Agora Hawking propôs uma terceira opção tentadoramente simples. Nela, a mecânica quântica e a relatividade geral permanecem intactas, mas buracos negros simplesmente não têm um horizonte de eventos para pegar fogo. A chave para sua alegação é que efeitos quânticos ao redor do buraco negro fazem com que o espaço-tempo flutue de modo tão absurdamente descontrolado que não pode existir uma superfície fronteiriça nítida.

Em vez do horizonte de eventos, Hawking cita um “horizonte aparente”, uma superfície ao longo da qual raios de luz que tentam se afastar rapidamente do núcleo do buraco negro serão suspensos. Na relatividade geral, para um buraco negro imutável esses dois horizontes são idênticos, porque a luz que tenta escapar do interior de um buraco desses só pode se afastar, no máximo, até o horizonte de eventos, onde será mantida como se estivesse grudada em uma esteira rolante. Em princípio, porém, os dois horizontes podem ser distinguidos. Se mais matéria for engolida pelo buraco negro, seu horizonte de eventos inchará e ficará maior que o horizonte aparente.

Inversamente, na década de 70, Hawking também mostrou que os buracos negros podem encolher lentamente, expelindo a chamada “radiação Hawking”. Nesse caso, o horizonte de eventos em teoria se tornaria menor que o horizonte aparente. Sua nova sugestão é que o horizonte aparente é o verdadeiro limite. “A ausência de horizontes de eventos significa que não existem buracos negros, no sentido de regimes dos quais a luz não pode escapar para o infinito”, escreve Hawking.

“O cenário que Hawking esboça parece razoável”, argumenta Don Page, um físico e especialista em buracos negros da University of Alberta, em Edmonton, no Canadá, que colaborou com Hawking na década de 70. “Você poderia argumentar que é radical propor que não existe um horizonte de eventos. Mas essas são condições altamente quânticas, e existe até ambiguidade sobre o que o espaço-tempo de fato é; quanto mais se há uma região definida que pode ser marcada como um horizonte de eventos”.

Embora Page aceite a proposta de Hawking de que um buraco negro poderia existir sem um horizonte de eventos, ele questiona se só isso é suficiente para superar o paradoxo da muralha de fogo (firewall). A mera presença de um efêmero horizonte aparente poderia muito bem causar os mesmos problemas que um horizonte de eventos, adverte ele.

Ao contrário do horizonte de eventos, o horizonte aparente pode acabar se dissolvendo. Page salienta que Hawking está abrindo a porta para um cenário tão extremo “que, em princípio, qualquer coisa é capaz de sair de um buraco negro”. Embora Hawking não especifique exatamente em seu artigo como um horizonte aparente desapareceria, Page especula que ao encolher até um determinado tamanho, em que os efeitos da mecânica quântica e da gravidade se fundem, é plausível que ele possa desaparecer. Nesse ponto, tudo o que estava preso dentro do buraco negro seria liberado (mas não na forma original).

Se Hawking estiver certo, talvez nem exista uma singularidade no núcleo do buraco negro. Em vez disso, a matéria seria mantida apenas temporariamente atrás do horizonte aparente e este se moveria gradualmente para dentro devido à força de atração do buraco negro, mas nunca se encolheria até o centro. A informação sobre essa matéria não seria destruída, mas sim altamente desestruturada. Tanto que ao ser liberada através da radiação Hawking, ela estaria em uma forma extremamente diferente, praticamente impossibilitando descobrir o que os objetos engolidos eram no passado.

“Seria pior que tentar reconstruir das cinzas um livro que você queimou”, observa Page. Em seu artigo, Hawking compara tudo isso à tentativa de prever o tempo antecipadamente: em teoria é possível, mas na prática é difícil demais para ser feito com muita precisão.

Polchinski, no entanto, está cético de que buracos negros sem um horizonte de eventos poderiam existir na natureza. Os tipos de flutuações violentas necessárias para apagá-lo são raros demais no Universo, argumenta. “Na gravidade de Einstein, o horizonte do buraco negro não é tão diferente de qualquer outra parte do espaço”, observa. “Nós nunca vemos o espaço-tempo flutuar em nossa própria vizinhança: isso é simplesmente raro demais em grandes escalas”.

Raphael Bousso, um físico teórico da University of California, em Berkeley, e ex-aluno de Hawking, diz que essa mais recente contribuição enfatiza o quanto físicos consideram “abominável” a existência em potencial de firewalls. No entanto, ele também se mostra cauteloso quanto à solução de Hawking. “A ideia de que não há pontos de onde você não pode escapar de um buraco negro é, sob alguns aspectos, uma sugestão ainda mais radical e problemática que a existência de muralhas de fogo”, afirma ele e acrescenta: “O fato de ainda estarmos discutindo essas questões 40 anos depois dos primeiros artigos de Hawking sobre buracos negros e informação é prova de seus enormes significados”.

Este artigo foi reproduzido com permissão da revista Nature. O artigo foi publicado originalmente em 24 de janeiro de 2014.