*** III – Estudando buracos negros ***
Vamos entender exatamente como estes buracos negros engolem matéria e como sua gravidade extrema distorce o espaço e o tempo.
A ficção científica vê os buracos negros como máquinas do tempo cósmicas ou portais para um universo paralelo. Mas por mais incrível que pareça, a realidade é mais estranha do que a ficção. Vamos entrar num mundo onde o muito grande e o muito pequeno são indistinguíveis, onde realidade e ilusão são a mesma coisa.
A astrônoma Julie Comerford tem estudado buracos negros supermassivos de galáxias distantes. É possível observar um buraco negro supermassivo quando gás cai sobre ele. Antes disso, o gás é aquecido e emite muita energia ficando muito brilhante, que rodeia a borda do buraco negro. Ao estudar esse fenômeno, ela descobriu algo totalmente inesperado. Há uma dança cósmica numa escala quase inimaginável.
“Nós vimos dois picos de luz em vez de apenas um. Nós esperávamos um de um buraco negro inativo nesta galáxia, mas vimos dois picos com velocidades diferentes. Logo achamos que aquilo seria algo interessante.”, explicou Julie.
Ela se indagou sobre o que aconteceria se duas galáxias com buracos negros supermassivos se colidissem.
“Quando duas galáxias colidem, os buracos negros em seu centro em vez de bater de frente começam a girar ou dançar. Nós detectamos os buracos negros observando a luz que emitem. Para o buraco negro se movendo na nossa direção, detectamos luz com menor comprimento de onda e assim vemos uma luz azulada. Para o buraco negro se afastando de nós, vemos luz com maior comprimento de onda, que parece avermelhada”, explica a astrônoma. “Essas luzes coloridas são os indicadores da valsa de um buraco negro.”.
Essa dança cósmica foi observada várias vezes quando buracos negros estão em pares em galáxias se colidindo. Essa descoberta pode abrir caminho para aprender o que há dentro deles, pois essa dança pode não somente ser vista, mas também ouvida.
Albert Einstein via espaço e tempo como um material flexível, que poderiam ser distorcidos pela gravidade. Um buraco negro é apenas um poço muito profundo nesse material. Quando dois buracos negros se aproximam um dos outro, esses dois poços orbitantes agitam o espaço-tempo e enviam ondas que podem viajar livremente pelo universo na velocidade da luz.
Talvez não possamos observar um buraco negro com luz, mas podemos ouvi-lo se captarmos essa vibração do espaço-tempo. Há tempos que os pesquisadores tem tentado ouvir os sons do buraco negro enquanto giram juntos. Os cálculos não são para os fracos. Delinear o que ocorre quando dois objetos gigantes criam uma tempestade no mar do espaço-tempo exige matemática avançada e muitos supercomputadores.
O que os pesquisadores conseguiram como resultados foi o som ouvido como uma espécie de batida de tambor, onde o tambor é o próprio espaço-tempo. O som começa a pegar uma frequência mais alta e fica mais rápido até o buraco negro menor ser engolido pelo maior, emitindo um som alto juntos e formando um único buraco negro.
Pelo fato dos buracos negros agitarem muito o espaço-tempo em redor deles, a órbita de um buraco negro menor em outro é muito diferente da órbita da Terra ao redor do Sol. Um buraco negro girando ao redor de outro tem uma órbita semelhante à um trevo de três folhas. Esse padrão tem aparecido em simulações de todos os buracos negros que orbitam outro. O intrigante é que esse é o mesmo padrão com que elétrons e prótons giram em um átomo.
É possível construir um tipo de átomo clássico de um grande buraco negro como o núcleo de um átomo e um buraco negro menor, que age como um elétron, formando um átomo. Como um objeto tão pesado se comporta como uma partícula subatômica tão leve? Segundo os astrofísicos, um buraco negro é como uma partícula fundamental, algo incrível dado o fato de serem objetos imensos.
Mas uma onda gravitacional ainda não foi encontrada, e talvez quando for, pode nos dizer se um buraco negro age como um átomo. Detectar uma onda gravitacional é extremamente difícil, já que são praticamente imperceptíveis. Elas podem estar passando sobre nós agora.
*** IV – Guerra de físicos brilhantes (o paradoxo da informação)***
A promessa de detecção de ondas gravitacionais promoveu um tipo de desafio para teóricos que calculam as coisas no papel. A conexão entre o muito grande e o muito pequeno já desencadeou uma guerra entre dois dos maiores físico vivos: um deles, o famosíssimo Stephen Hawking, do outro lado, Leonard Susskind, que está tentando usar os buracos negros para criar a ideia mais revolucionária da física desde Einstein. Uma ideia que vira a realidade às avessas.
Os buracos negros são os corpos mais pesados do universo, alguns deles com massa de 1 bilhão de vezes maior que o nosso sol, mas ninguém sabe ao certo o tamanho deles. Toda essa massa pode caber num espaço menor que um átomo, numa singularidade, com temperaturas e densidade infinitas. E é aí que a física começa a se surpreender.
A Teoria da Relatividade de Einstein explica muito bem a gravidade, mas só se aplica à objetos muito grandes, não a pequenos elementos como átomos. Os cientistas passaram a entender muita coisa após os tempos de Einstein, mas de alguma forma a gravidade foge da compreensão deles. Há matéria de um lado e gravidade do outro, e essa ideia ambiciosa de juntar as duas coisas tem gerado resultados catastróficos.
O primeiro passo reunindo a física do muito grande (relatividade) e do muito pequeno (mecânica quântica) foi dado em 1974 por Stephen Hawking. A física quântica prevê que o espaço vazio está fervilhando de partículas e antipartículas, passando a existir em pares e um instante depois, ambas se aniquilam. Essas partículas existem por tão pouco tempo que não são consideradas parte da realidade. Os físicos a chamam de partículas virtuais.
Mas Hawking percebeu que havia um lugar específico no universo onde essas partículas podiam se tornar reais: em torno de um buraco negro há uma linha invisível no espaço denominada horizonte de eventos. Fora dessa linha, a força da gravidade é muito fraca para captar a luz. Dentro dela, nada pode escapar de sua força. Se um par de partículas virtuais for formado fora do horizonte de eventos uma delas consegue ultrapassar aquele ponto sem retorno antes de conseguir se recombinar, caindo dentro do buraco negro, deixando sua parceira escapar como radiação real: a radiação Hawking. Se Hawking estiver certo, os buracos negros não devem ser negros. Deveriam ter um brilho fraco e contínuo, mas ninguém jamais detectou a radiação Hawking da margem de um buraco negro. Na verdade é tão fraca, e os buracos negros tão distantes que talvez nunca seja possível.
Leonard Sussking, renomado físico teórico, passou grande parte de sua carreira pensando na radiação Hawking e muito perturbado com o que ela significa. Hoje, ele é um dos principais físicos teóricos do mundo, sendo um dos criadores da Teoria das Cordas. Seu fascínio por buracos negros começou quando ele foi numa palestra de Stephen Hawking, uma palestra que provocou uma reação violenta.
“Ouvi uma palestra dele pela primeira em San Francisco em 1981, na qual ele alegou de forma extraordinária que os buracos negros violam um princípio fundamental da física chamado conservação da informação”, contou Susskind.
Segundo Hawking, para cada grama de material que o buraco absorveu, ele emitiria uma quantidade equivalente de energia a partir de seu horizonte de eventos. Mas como não há ligação física entre o centro de um buraco negro (singularidade) e seu horizonte de eventos, os dois processos não compartilham informações.
“Isso foi um desastre do ponto de vista dos princípios básicos da física”, disse Susskind. Esse princípio afirma que não se pode perder informações.
Um exemplo é uma pia com um ralo fechado cheio de água. Imagine enviar uma mensagem em código Morse na água dessa pia através de pingos de tinta vermelha. Inicialmente, é possível ver a tinta se deslocando na água e após algum tempo, a tinta vermelha irá se espalhar totalmente pela água. Alguém pode dizer que a informação em Morse foi perdida e que ninguém pode reconstruí-la. Mas na essência da física, aquela informação continua ali. Se pudéssemos observar cada molécula seria possível reconstruir a mensagem, algo muito difícil para os seres humanos, mas a física diz que é possível.
Contudo, Hawking alegou existir lugares especiais no universo onde essa lei pode ser violada. O que acontece quando a informação cai no buraco negro? De acordo com Hawking, ela desapareceria do nosso universo pelo ralo, algo que violava o princípio.
Susskind ficou chocado. Se Hawking estivesse certo, a base da física moderna estava equivocada. Os buracos negros passariam a maior parte de sua vida engolindo estrelas sem deixar registro do que tinham feito. Os buracos negros não embaralham informações, segundo Hawking, as destroem completamente.
Então Susskind não conseguia se livrar da questão dos buracos negros e discordava veementemente da teoria de Hawking. Essa disputa deixou de ser somente desses físicos extraordinários, mas se expandiu para toda a comunidade científica. Em jogo estava mais do que cantar vitória para o vencedor, mas a forma como víamos o universo estava prestes a ser mudada.
Por cerca de 10 anos ele lutou para encontrar algum erro no conceito de Hawking, e até então sem sucesso, ele encarou o problema de forma diferente, com o denominado paradoxo do morto-vivo. Trata-se de uma experiência cósmica imaginário onde há um homem e uma mulher numa nave, além de é claro, um buraco negro.
O homem está na órbita de um buraco negro com sua nave, enquanto a mulher decido pular dentro do buraco negro. O que cada um vê?
Ele vê a mulher caindo na direção do buraco negro, se aproximando cada vez mais do horizonte de eventos, mas reduzindo sua velocidade. Como a gravidade do buraco negro distorce radicalmente o espaço e o tempo perto do horizonte de eventos, a Teoria da Relatividade prevê que o homem verá a mulher se deslocar cada vez mais devagar até parar em algum momento. Do ponto de vista do homem, a mulher se torna completamente imóvel e esse é o fim da história. A mulher demorará uma eternidade para cair no buraco negro.
Por outro lado, a mulher tem uma descrição completamente diferente daquilo que o homem viu. Ela cai livremente pelo horizonte de eventos sem sentir dor ou solavancos. Mas quando chega próximo da singularidade, passa a sentir desconforto e está se sentindo cada vez mais distorcida. Não entraremos em detalhes agora, não é bacana.
São duas descrições do mesmo evento e aparentemente estão em desacordo. Em uma, a mulher fica presa no horizonte de eventos (congelada no tempo e viva), e em outra, ela entra direto (e morre).
Então Susskind percebeu como resolver esse paradoxo e vencer a guerra contra Hawking. Sua ideia estava baseada na Teoria das Cordas que ajudou a desenvolver.
“Um jeito de ver a Teoria das Cordas é que partículas elementares vão além do que nós vemos. Um exemplo é a hélice de um helicóptero girando muito rápido, no qual só é possível observar seu eixo central. Parece uma partícula simples, mas com uma câmera de alta velocidade que pudesse registrá-la durante o giro, perceberíamos que há mais coisas a serem vistas. Há as pás, e elas fariam a hélice parecer maior.”, explica o físico. “Na teoria das cordas, uma partícula elementar tem vibrações sobre vibrações, como se esta hélice no final de cada pá houvesse mais hélices e estas hélices tivessem hélices nas pontas de suas pás infinitamente, cada hélice indo mais rápido que a anterior. E com câmeras de velocidade cada vez maior, nós veríamos mais estruturas entrando em foco e a partícula daria a impressão de crescer infinitamente até preencher todo o universo.”
Leonard percebeu que um buraco negro é como uma câmera de velocidade ultrarrápida. Ela parece retardar objetos conforme se aproximam do horizonte de eventos. Então vamos para outra experiência imaginária.
O buraco negro, o homem e a mulher estão de volta. Mas dessa vez a mulher tem um avião movido por uma hélice da teoria das cordas. Para ela, as coisas não mudam muito. Ela senta na cabine e sobrevoa o horizonte de eventos o tempo todo vendo apenas o eixo central da hélice e tem o mesmo destino horrível no centro do buraco negro, mas dessa vez está caindo rumo ao buraco negro acompanhada de alguns destroços do avião.
A visão do homem é muito diferente. Para começar, ele vê a primeira hélice aparecer. Depois, à medida que ela reduz a velocidade, ele começa ver hélices externas surgindo, uma de cada vez. E o efeito é a hélice inteira ficar cada vez maior e por fim ficar grande o suficiente para cobrir o horizonte de eventos.
*** V – O princípio holográfico (Vitória de Susskind) ***
Essas duas visões não parecem mais incompatíveis. A mulher é esmagada na singularidade ou espalhada por todo o horizonte de eventos. Susskind tem um nome para este novo meio de ver as coisas: o princípio holográfico. O físico pensou que aquilo se parecia com um holograma. Há a mulher no centro e se olharmos para ela, veríamos ela espalhada no horizonte de eventos, que podemos chamar se uma superfície, um filme. Tudo que vemos é alguma coisa distorcida e de alguma forma representam exatamente o mesmo que há no interior do buraco negro.
A ideia de Leonard de que o horizonte de eventos de um buraco negro é uma representação bidimensional de um objeto tridimensional em seu centro resolve o problema da perda de informações. Todo objeto que cai num buraco negro deixa sua marca tanto na massa central como no holograma tremeluzente no horizonte de eventos. Quando o buraco negro emite radiação Hawking do horizonte, esta radiação se conecta com a coisa que caiu dentro dele. A informação não se perde.
Em 2004, numa conferência científica em Dublin, na Irlanda, Hawkind admitiu a derrota. Os buracos negros não destroem informações. Leonard Susskind vencera a guerra do buraco negro. Mas ele fez muito mais que isso, porque a teoria não se aplica somente aos buracos negros. Ela nos força a retratar a realidade de um novo jeito.
É como se houvesse duas versões da descrição de você e de todas as coisas do universo. Uma delas é realidade normal visível e tridimensional. E a outra é um tipo de imagem holográfica nas paredes do universo, completamente espalhada, mas ainda com as mesmas informações. Isso porque o nosso universo surgiu de uma singularidade, e segundo alguns físicos, nós vivemos dentro dessa singularidade. Todo o universo está dentro de uma realidade tridimensional situada numa singularidade, e que além dela, há um superfície bidimensional (imagem holográfica) de tudo o que há no universo. Isso pode reforçar a teoria de que nosso universo seja o centro de um buraco negro, pois em uma singularidade não há o espaço nem o tempo, mas pode ser que dentro dela uma nova realidade surja (com novas dimensões espaciais e uma temporal), um novo universo que se expande sobre si mesmo, mas visto de fora, continua com o mesmo tamanho ínfimo de uma singularidade.
“Isso não é apenas uma ideia, é um princípio básico da física de que informações são armazenadas em um tipo de filme holográfico nas margens do universo. De certa forma, o espaço tridimensional é apenas uma versão da realidade. A outra versão existe em um filme holográfico plano a bilhões de anos-luz de distância nas margens do cosmo. Por que estas duas versões parecem coexistir é agora o maior enigma que a física precisa solucionar. Um dos grandes desafios que resulta tudo isso é a compreensão do espaço em si, por que o espaço é tridimensional quando toda a informação armazenada neste espaço é um holograma bidimensional? Um buraco negro traz esses desafios e os aguça porque é um lugar onde o espaço comum praticamente não existe mais. Então me perguntaram como o espaço se forma e vou ter que responder que estamos pensando nisso. Ainda não o entendemos”, completa Susskind.
*** VI – Conclusão***
Caberia em uma singularidade um universo inteiro? É só uma ideia lógica. O que sabemos é que os buracos negros têm sido uma fonte de fascínio por quase um século. Nós pensamos nele como máquinas do tempo, atalhos para universos paralelos, monstros que um dia devorarão a Terra… Qualquer uma dessas ideias pode se tornar realidade um dia. Mas aqui e agora, os buracos negros têm um efeito profundo em nós. Suas superfícies holográficas tremeluzentes parecem estar nos dizendo que imaginamos estar aqui está refletido lá fora, na margem do nosso misterioso universo.
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