Em uma série de cálculos marcantes, os físicos provaram que os buracos negros podem liberar informações, o que parece impossível por definição. O trabalho parece resolver um paradoxo que Stephen Hawking descreveu pela primeira vez há cinco décadas.
Em uma série de artigos inovadores, os físicos teóricos chegaram tentadoramente perto de resolver o paradoxo da informação do buraco negro que os fascinou e atormentou por quase 50 anos. A informação, eles agora dizem com confiança, escapa de um buraco negro. Se você pular em um, você não irá embora para sempre. Partícula por partícula, as informações necessárias para reconstituir o seu corpo irão ressurgir. A maioria dos físicos há muito supõe que sim; esse foi o resultado da teoria das cordas, seu principal candidato a uma teoria unificada da natureza. Mas os novos cálculos, embora inspirados pela teoria das cordas, funcionam por conta própria, sem nenhuma corda à vista. A informação vaza por meio do funcionamento da própria gravidade – apenas a gravidade comum com uma única camada de efeitos quânticos.
Esta é uma inversão de papéis peculiar para a gravidade. De acordo com a teoria geral da relatividade de Einstein, a gravidade de um buraco negro é tão intensa que nada pode escapar dela. A compreensão mais sofisticada dos buracos negros desenvolvida por Stephen Hawking e seus colegas na década de 1970 não questionava esse princípio. Hawking e outros procuraram descrever a matéria dentro e ao redor dos buracos negros usando a teoria quântica, mas eles continuaram a descrever a gravidade usando a teoria clássica de Einstein – uma abordagem híbrida que os físicos chamam de “semiclássica”. Embora a abordagem previsse novos efeitos no perímetro do buraco, o interior permaneceu estritamente vedado. Os físicos perceberam que Hawking havia acertado em cheio o cálculo semiclássico. Qualquer progresso posterior teria de tratar a gravidade também como quântica.
É o que contestam os autores dos novos estudos. Eles encontraram efeitos semiclássicos adicionais – novas configurações gravitacionais que a teoria de Einstein permite, mas que Hawking não incluiu. Silenciosos a princípio, esses efeitos passam a dominar quando o buraco negro fica extremamente antigo. O buraco se transforma de um reino eremita em um sistema vigorosamente aberto. Não apenas a informação vaza, mas qualquer coisa nova que surge é regurgitada quase imediatamente. A teoria semiclássica revisada ainda não explicou como exatamente a informação sai, mas tem sido o ritmo das descobertas nos últimos dois anos que os teóricos já têm dicas do mecanismo de escape.
“Essa é a coisa mais emocionante que aconteceu neste assunto, eu acho, desde Hawking”, disse um dos co-autores, Donald Marolf, da Universidade da Califórnia, em Santa Bárbara.
“É um cálculo marcante”, disse Eva Silverstein, da Universidade de Stanford, uma importante física teórica que não estava diretamente envolvida.
Você pode esperar que os autores comemorem, mas eles dizem que também se sentem decepcionados. Se o cálculo tivesse envolvido características profundas da gravidade quântica, em vez de uma varredura leve, poderia ter sido ainda mais difícil de realizar, mas uma vez que isso fosse realizado, teria iluminado essas profundezas. Portanto, eles temem que possam ter resolvido esse problema sem alcançar o fechamento mais amplo que buscavam. “A esperança era que, se pudéssemos responder a esta pergunta – se pudéssemos ver as informações saindo – para fazer isso, teríamos que aprender sobre a teoria microscópica”, disse Geoff Penington da Universidade da Califórnia, Berkeley, aludindo a uma teoria totalmente quântica da gravidade.
O que tudo isso significa está sendo intensamente debatido em ligações e webinars da Zoom. O trabalho é altamente matemático e tem uma qualidade de Rube Goldberg, juntando um truque de cálculo após o outro de uma forma difícil de interpretar. Buracos de minhoca, o princípio holográfico, espaço-tempo emergente, emaranhamento quântico, computadores quânticos: quase todos os conceitos da física fundamental atualmente aparecem, tornando o assunto cativante e confuso.
E nem todo mundo está convencido. Alguns ainda pensam que Hawking acertou e que a teoria das cordas ou outra nova física tem que entrar em jogo para que a informação escape. “Sou muito resistente a pessoas que chegam e dizem: ‘Eu tenho uma solução apenas em mecânica quântica e gravidade'”, disse Nick Warner, da University of Southern California. “Porque isso nos levou a círculos antes.”
Mas quase todo mundo parece concordar em uma coisa. De uma forma ou de outra, o próprio espaço-tempo parece desmoronar em um buraco negro, implicando que o espaço-tempo não é o nível raiz da realidade, mas uma estrutura emergente de algo mais profundo. Embora Einstein concebesse a gravidade como a geometria do espaço-tempo, sua teoria também envolve a dissolução do espaço-tempo, razão pela qual a informação pode escapar de sua prisão gravitacional.
A curva se torna a chave
Em 1992, Don Page e sua família passaram sua casa de férias de Natal sentados em Pasadena, desfrutando da piscina e assistindo ao Rose Parade. Page, um físico da Universidade de Alberta, no Canadá, também aproveitou a pausa para pensar sobre como os buracos negros realmente são paradoxais. Seus primeiros estudos sobre buracos negros, quando ele era um estudante de graduação nos anos 70, foram fundamentais para a compreensão de seu conselheiro Stephen Hawking de que os buracos negros emitem radiação – o resultado de processos quânticos aleatórios na borda do buraco. Simplificando, um buraco negro apodrece de fora para dentro.
As partículas que ele derrama parecem não transportar informações sobre o conteúdo interno. Se um astronauta de 100 quilos cair, o buraco aumenta em massa em 100 quilos. No entanto, quando o buraco emite o equivalente a 100 quilogramas de radiação, essa radiação é completamente desestruturada. Nada sobre a radiação revela se veio de um astronauta ou de um pedaço de chumbo.
Isso é um problema porque, em algum ponto, o buraco negro emite sua última onça e deixa de ser. Tudo o que resta é uma grande nuvem amorfa de partículas fechando aqui e ali aleatoriamente. Seria impossível recuperar tudo o que caiu. Isso torna a formação e evaporação de buracos negros um processo irreversível, que parece desafiar as leis da mecânica quântica.
Hawking e muitos outros teóricos da época aceitaram essa conclusão – se a irreversibilidade desprezava as leis da física como eram então entendidas, tanto pior para essas leis. Mas Page ficou perturbado, porque a irreversibilidade violaria a simetria fundamental do tempo. Em 1980, ele rompeu com seu ex-conselheiro e argumentou que os buracos negros devem liberar ou pelo menos preservar as informações. Isso causou um cisma entre os físicos. “A maioria dos relativistas gerais com quem conversei concordava com Hawking”, disse Page. “Mas os físicos de partículas tendem a concordar comigo.”
Em suas férias em Pasadena, Page percebeu que ambos os grupos perderam um ponto importante. O quebra-cabeça não era apenas o que acontece no final da vida do buraco negro, mas também o que leva a ele.
Ele considerou um aspecto do processo que havia sido relativamente negligenciado: o emaranhamento quântico. A radiação emitida mantém uma ligação mecânica quântica com seu local de origem. Se você medir a radiação ou o buraco negro por conta própria, parecerá aleatório, mas se você considerá-los em conjunto, eles exibem um padrão. É como criptografar seus dados com uma senha. Os dados sem a senha são confusos. A senha, se você escolheu uma boa, também não tem sentido. Mas juntos eles desbloqueiam as informações. Talvez, pensou Page, as informações possam sair do buraco negro de uma forma criptografada semelhante.
Page calculou o que isso significaria para a quantidade total de emaranhamento entre o buraco negro e a radiação, uma quantidade conhecida como entropia de emaranhamento. No início de todo o processo, a entropia de emaranhamento é zero, pois o buraco negro ainda não emitiu nenhuma radiação para ser emaranhado. Ao final do processo, se a informação for preservada, a entropia de emaranhamento deve ser zero novamente, uma vez que não existe mais um buraco negro. “Fiquei curioso em saber como a entropia da radiação mudaria nesse meio tempo”, disse Page.
Inicialmente, conforme a radiação se espalha, a entropia de emaranhamento aumenta. Page raciocinou que essa tendência precisa ser revertida. A entropia tem que parar de aumentar e começar a cair se quiser chegar a zero no ponto final. Com o tempo, a entropia de emaranhamento deve seguir uma curva em forma de “V” invertido.
Page calculou que essa reversão teria de ocorrer mais ou menos na metade do processo, em um momento agora conhecido como Page time. Isso é muito anterior ao que os físicos supunham. O buraco negro ainda é enorme naquele ponto – certamente longe do tamanho subatômico em que quaisquer supostos efeitos exóticos apareceriam. As leis conhecidas da física ainda devem ser aplicadas. E não há nada nessas leis para dobrar a curva para baixo.
Com isso, o problema ficou muito mais agudo. Os físicos sempre perceberam que a teoria quântica da gravidade só entrava em ação em situações tão extremas que pareciam bobas, como uma estrela colapsando para o raio de um próton. Agora, Page estava dizendo a eles que a gravidade quântica é importante sob condições que, em alguns casos, são comparáveis às de sua cozinha.
A análise de Page justificou chamar o problema da informação do buraco negro um paradoxo em oposição a apenas um quebra-cabeça. Ele expôs um conflito dentro da aproximação semiclássica. “O paradoxo do Page-time parece apontar para um colapso da física de baixa energia em um lugar onde ela não deve ser interrompida, porque as energias ainda estão baixas”, disse David Wallace, filósofo da física da Universidade de Pittsburgh.
Pelo lado positivo, o esclarecimento de Page sobre o problema abriu o caminho para uma solução. Ele estabeleceu que, se a entropia de emaranhamento segue a curva de página, então a informação sai do buraco negro. Ao fazer isso, ele transformou um debate em um cálculo. “Os físicos nem sempre são tão bons com as palavras”, disse Andrew Strominger, da Universidade de Harvard. “Fazemos melhor com equações precisas.”
Agora, os físicos precisavam apenas calcular a entropia de emaranhamento. Se eles conseguissem, eles obteriam uma resposta direta. A entropia de emaranhamento segue um V invertido ou não? Se isso acontecer, o buraco negro preserva as informações, o que significa que os físicos de partículas estavam certos. Se isso não acontecer, o buraco negro destrói ou engarrafa informações, e os relativistas gerais podem se servir do primeiro donut nas reuniões do corpo docente.
Mesmo assim, embora Page explicitasse o que os físicos deveriam fazer, os teóricos levaram quase três décadas para descobrir como.
O buraco negro de dentro para fora
Nos últimos dois anos, os físicos mostraram que a entropia de emaranhamento dos buracos negros realmente segue a curva de Page, indicando que a informação vaza. Eles fizeram a análise em etapas. Primeiro, eles mostraram como funcionaria, usando os insights da teoria das cordas. Em seguida, em artigos publicados no outono passado, os pesquisadores cortaram totalmente a amarra da teoria das cordas.
O trabalho começou para valer em outubro de 2018, quando Ahmed Almheiri, do Instituto de Estudos Avançados, estabeleceu um procedimento para estudar como os buracos negros evaporam. Almheiri, logo acompanhado por vários colegas, aplicou um conceito desenvolvido inicialmente por Juan Maldacena, agora no IAS, em 1997. (Penington estava trabalhando em paralelo.)
Considere um universo encerrado em uma fronteira como um globo de neve. Além de ter uma grande parede ao seu redor, o interior é basicamente como o nosso universo: tem gravidade, matéria e assim por diante. A fronteira também é uma espécie de universo. Não tem gravidade e, sendo apenas uma superfície, carece de profundidade. Mas isso compensa com uma física quântica vibrante e, em suma, é exatamente tão complexo quanto o interior. Por mais diferentes que esses dois universos possam parecer, eles combinam perfeitamente. Tudo no interior, ou “volume”, tem uma contrapartida na fronteira. E embora a geometria da massa seja diferente da geometria de nosso próprio universo, essa dualidade “AdS / CFT” tem sido o playground favorito dos teóricos das cordas desde que Maldacena a introduziu.
Pela lógica dessa dualidade, se você tem um buraco negro na massa, ele tem um simulacro na fronteira. Como a fronteira é governada pela física quântica sem as complicações da gravidade, ela preserva informações de maneira inequívoca. O buraco negro também deve.
Quando os pesquisadores começaram a analisar como os buracos negros evaporam no AdS / CFT, eles primeiro tiveram que superar um pequeno problema: no AdS / CFT, os buracos negros, de fato, não evaporam. A radiação preenche o volume confinado como o vapor em uma panela de pressão, e tudo o que o orifício emite, ela acaba sendo reabsorvido. “O sistema vai atingir um estado estacionário”, disse Jorge Varelas da Rocha, físico teórico do Instituto Universitário de Lisboa.
Para lidar com isso, Almheiri e seus colegas adotaram uma sugestão de Rocha de colocar o equivalente a uma válvula de vapor na fronteira para sangrar a radiação e evitar que ela volte a cair. “Ela suga a radiação”, disse Neta Engelhardt, da o Instituto de Tecnologia de Massachusetts, um dos co-autores de Almheiri. Os pesquisadores instalaram um buraco negro no centro do espaço a granel, começaram a sangrar a radiação e observaram o que aconteceu.
Para rastrear a entropia de emaranhamento do buraco negro, eles se basearam na compreensão mais granular de AdS / CFT que Engelhardt e outros, incluindo Aron Wall da Universidade de Cambridge, desenvolveram na última década. Os físicos agora são capazes de apontar qual parte da massa corresponde a qual parte da fronteira e quais propriedades da massa correspondem a quais propriedades da fronteira.
A chave para relacionar os dois lados da dualidade é o que os físicos chamam de superfície externa quântica. (Essas superfícies são características gerais – você não precisa de um buraco negro para ter um.) Basicamente, você se imagina soprando uma bolha de sabão no volume. A bolha naturalmente assume uma forma que minimiza sua área de superfície. A forma não precisa ser redonda, como as bolhas em uma festa de aniversário de criança, porque as regras de geometria podem ser diferentes daquelas com as quais estamos familiarizados; portanto, a bolha é uma sonda dessa geometria. Os efeitos quânticos também podem distendê-lo.
Calculando onde fica a superfície externa quântica, os pesquisadores obtêm duas informações importantes. Primeiro, a superfície divide a massa em duas partes e combina cada uma com uma parte da fronteira. Em segundo lugar, a área da superfície é proporcional a parte da entropia de emaranhamento entre essas duas partes do limite. Assim, a superfície extremal quântica relaciona um conceito geométrico (área) a um quântico (emaranhamento), fornecendo um vislumbre de como a gravidade e a teoria quântica podem se tornar uma só.
Mas quando os pesquisadores usaram essas superfícies extremas quânticas para estudar um buraco negro em evaporação, uma coisa estranha aconteceu. No início do processo de evaporação, eles descobriram, como esperado, que a entropia de emaranhamento da fronteira aumentou. Como o buraco era a única coisa dentro do espaço, os autores deduziram que sua entropia de emaranhamento estava aumentando. Em termos dos cálculos originais de Hawking, até agora tudo bem.
De repente, isso mudou. Uma superfície extremal quântica se materializou abruptamente no horizonte do buraco negro. Inicialmente, essa superfície não teve efeito no resto do sistema. Mas eventualmente ele se tornou o fator decisivo para a entropia, levando a uma queda. Os pesquisadores comparam isso a uma transição como fervura ou congelamento. “Pensamos nisso como uma mudança de fase análoga às fases termodinâmicas – entre gás e líquido”, disse Engelhardt.
Significou três coisas. Primeiro, a mudança repentina sinalizou o início de uma nova física não coberta pelo cálculo de Hawking. Em segundo lugar, a superfície extrema divide o universo em dois. Uma parte era equivalente ao limite. O outro era um reino de aqui-estar-dragões sobre o qual a fronteira não tinha informações, indicando que a radiação do sistema estava afetando seu conteúdo de informação.
Terceiro, a posição da superfície externa quântica era altamente significativa. Ele estava localizado dentro do horizonte do buraco negro. À medida que o buraco diminuía, o mesmo acontecia com a superfície externa quântica e, com ela, a entropia de emaranhamento. Isso produziria a inclinação descendente que Page previu – a primeira vez que qualquer cálculo fez isso.
Ao mostrar que a entropia de emaranhamento rastreou a curva da página, a equipe foi capaz de confirmar que os buracos negros liberam informações. Ele vaza de uma forma altamente criptografada, possibilitada pelo emaranhamento quântico. Na verdade, é tão criptografado que não parece que o buraco negro desistiu de nada. Mas, eventualmente, o buraco negro passa por um ponto de inflexão onde a informação pode ser descriptografada. A pesquisa, postada em maio de 2019, mostrou tudo isso por meio de novas ferramentas teóricas que quantificam o emaranhamento de forma geométrica.
Mesmo com essas ferramentas, o cálculo teve que ser reduzido à sua essência para ser factível. A maior parte neste universo AdS / CFT tinha apenas uma única dimensão de espaço, por exemplo. O buraco negro não era uma grande bola negra, mas um segmento de linha curta. Ainda assim, os pesquisadores argumentaram, a gravidade é gravidade, e o que vale para esta Lineland empobrecida deve valer para o universo real. (Em abril de 2020, Koji Hashimoto, Norihiro Iizuka e Yoshinori Matsuo da Universidade de Osaka analisaram buracos negros em uma geometria plana mais realista e confirmaram que as descobertas ainda são válidas.)
Em agosto de 2019, Almheiri e outro grupo de colegas deram o próximo passo e voltaram sua atenção para a radiação. Eles descobriram que o buraco negro e sua radiação emitida seguem a mesma curva de página, de modo que a informação deve ser transferida de um para o outro. O cálculo não diz como é transferido, apenas que é.
Como parte do trabalho, eles descobriram que o universo passa por um rearranjo desconcertante. No início, o buraco negro está no centro do espaço e a radiação está voando para fora. Mas depois de passar um tempo suficiente, dizem as equações, as partículas nas profundezas do buraco negro não fazem mais parte do buraco, mas sim da radiação. Eles não voaram para fora, mas simplesmente foram transferidos.
Isso é significativo porque essas partículas internas normalmente contribuiriam para a entropia de emaranhamento entre o buraco negro e a radiação. Se eles não fazem mais parte do buraco negro, eles não contribuem mais para a entropia, explicando porque ela começa a diminuir.
Os autores apelidaram o núcleo interno da radiação de “ilha” e chamaram sua existência de “surpreendente”. O que significa que as partículas estão no buraco negro, mas não dentro do buraco negro? Ao confirmar que as informações são retidas, os físicos eliminaram um quebra-cabeça apenas para criar outro ainda maior. Sempre que perguntei a Almheiri e outros o que isso significava, eles olharam para longe, momentaneamente sem palavras.
Entre nos Wormholes
Até agora, os cálculos presumiram a dualidade AdS / CFT – o mundo do globo de neve – que é um importante caso de teste, mas no final das contas um tanto artificial. O próximo passo foi considerar os buracos negros de maneira mais geral.
Os pesquisadores se basearam em um conceito que Richard Feynman desenvolveu na década de 1940. Conhecida como integral de caminho, é a expressão matemática de um princípio fundamental da mecânica quântica: tudo o que pode acontecer, acontece. Na física quântica, uma partícula que vai do ponto A ao ponto B segue todos os caminhos possíveis, que são combinados em uma soma ponderada. O caminho de maior peso geralmente é aquele que você esperaria da física clássica comum, mas nem sempre. Se os pesos mudam, a partícula pode saltar abruptamente de um caminho para outro, passando por uma transição que seria impossível na física antiquada.
A integral de caminho funciona tão bem para o movimento das partículas que os teóricos dos anos 50 a propuseram como uma teoria quântica da gravidade. Isso significava substituir uma única geometria de espaço-tempo por uma mistura de formas possíveis. Para nós, o espaço-tempo parece ter uma única forma bem definida – perto da Terra, é curvo apenas o suficiente para que os objetos tendam a orbitar o centro do nosso planeta, por exemplo. Mas na gravidade quântica, outras formas, incluindo aquelas muito mais curvas, estão latentes e podem aparecer nas circunstâncias certas. O próprio Feynman adotou essa ideia nos anos 60, e Hawking a defendeu nos anos 70 e 80. Mas até mesmo seu gênio considerável lutou para saber como executar a integral do caminho gravitacional, e os físicos a colocaram de lado em favor de outras abordagens para a gravidade quântica. “Nunca soubemos realmente como definir exatamente o que é – e adivinhe, ainda não sabemos”, disse John Preskill, do California Institute of Technology.
Para começar, quais são “todas” as formas possíveis? Para Hawking, isso significava todas as topologias. O espaço-tempo pode se amarrar em formas de noz ou pretzel. A conectividade extra cria túneis, ou “buracos de minhoca”, entre lugares e momentos distantes. Estes vêm em diferentes tipos.
Os buracos de minhoca espaciais são como os portais amados dos escritores de ficção científica, ligando um sistema estelar a outro. Os chamados buracos de minhoca de espaço-tempo são pequenos universos que brotam do nosso e se reúnem com ele algum tempo depois. Os astrônomos nunca viram nenhum dos tipos, mas a relatividade geral permite essas estruturas, e a teoria tem um bom histórico de fazer previsões aparentemente bizarras, como buracos negros e ondas gravitacionais, que mais tarde são confirmadas. Nem todos concordaram com Hawking que essas formas exóticas pertençam à mistura, mas os pesquisadores que fizeram as novas análises de buracos negros adotaram a ideia provisoriamente.
Eles não podiam considerar de forma realista todas as topologias possíveis, que são literalmente incontáveis, então eles olharam apenas para aquelas que eram mais importantes para um buraco negro em evaporação. Eles são conhecidos, por razões matemáticas, como pontos de sela e parecem geometrias bastante plácidas. No final, as equipes não realizaram a soma total das formas, o que estava além delas. Eles usaram a integral de caminho principalmente como um veículo para identificar os pontos de sela.
O próximo passo, após aplicar a integral de caminho ao buraco negro e sua radiação, foi calcular a entropia de emaranhamento. Essa quantidade é definida como o logaritmo de uma matriz – uma matriz de números. O cálculo é difícil nos melhores momentos, mas, neste caso, os físicos não tinham realmente a matriz, o que teria exigido a avaliação da integral do caminho. Então, eles tiveram que realizar uma operação que não poderiam fazer em uma quantidade que não conheciam. Para isso, eles soltaram outro truque matemático.
Eles perceberam que a entropia não requer conhecimento da matriz completa. Em vez disso, eles poderiam imaginar a execução de uma série repetida de medições no buraco negro e, em seguida, combinar essas medições de uma forma que retivesse o conhecimento de que precisavam. O chamado truque da réplica remonta ao estudo dos ímãs nos anos 70 e foi aplicado pela primeira vez à gravidade em 2013.
Um dos autores do novo trabalho, Tom Hartman, da Cornell University, comparou o truque da réplica a verificar se uma moeda é justa. Normalmente, você jogaria várias vezes e veria se cai em cada lado com probabilidade de 50-50. Mas suponha que por algum motivo você não possa fazer isso. Então, em vez disso, você joga duas moedas idênticas – as “réplicas” – e nota com que frequência elas caem no mesmo lado. Se isso acontecer na metade das vezes, as moedas são justas. Mesmo que você ainda não conheça as probabilidades individuais, você pode fazer um julgamento básico sobre a aleatoriedade. Isso é análogo a não saber a matriz completa do buraco negro, mas ainda assim avaliar sua entropia.
Dave Burbank
Embora seja um truque, tem uma física real. A integral do caminho gravitacional não distingue réplicas de um buraco negro real. Leva-os literalmente. Isso ativa algumas das topologias latentes que a integral do caminho gravitacional inclui. O resultado é um novo ponto de sela contendo vários buracos negros ligados por buracos de minhoca no espaço-tempo. Ele compete pela influência com a geometria regular de um único buraco negro cercado por uma névoa de radiação Hawking.
Os buracos de minhoca e o único buraco negro são inversamente ponderados, basicamente, por quanta entropia de emaranhamento eles têm. Os buracos de minhoca têm muito, por isso recebem um peso baixo e, portanto, não são importantes no início. Mas sua entropia diminui, enquanto a da radiação Hawking continua aumentando. Eventualmente, os buracos de minhoca tornam-se os dominantes dos dois e assumem a dinâmica do buraco negro. A mudança de uma geometria para a outra é impossível na relatividade geral clássica – é um processo inerentemente quântico. A configuração geométrica extra e o processo de transição que a acessa são as duas principais descobertas da análise.
Em novembro de 2019, duas equipes de físicos – conhecidos como grupos da Costa Oeste e Costa Leste por suas afiliações geográficas – postaram seu trabalho mostrando que esse truque permite reproduzir a curva da página. Dessa forma, eles confirmaram que a radiação expulsa o conteúdo informativo de tudo o que cai no buraco negro. A teoria das cordas não precisa ser verdadeira; até mesmo um crítico ferrenho da teoria das cordas pode embarcar na integral de caminho gravitacional. Ainda assim, por mais sofisticada que seja a análise, ela ainda não diz como as informações escapam.
A construção do espaço-tempo
Por esses cálculos, a radiação é rica em informações. De alguma forma, ao medi-lo, você será capaz de aprender o que caiu no buraco negro. Mas como?
Teóricos do grupo da Costa Oeste imaginaram enviar a radiação para um computador quântico. Afinal, uma simulação de computador é em si um sistema físico; uma simulação quântica, em particular, não é totalmente diferente do que está simulando. Assim, os físicos imaginaram coletar toda a radiação, alimentá-la em um computador quântico massivo e executar uma simulação completa do buraco negro.
E isso levou a uma reviravolta notável na história. Como a radiação está altamente emaranhada com o buraco negro de onde veio, o computador quântico também fica altamente emaranhado com o buraco. Dentro da simulação, o emaranhamento se traduz em uma ligação geométrica entre o buraco negro simulado e o original. Simplificando, os dois são conectados por um buraco de minhoca. “Há o buraco negro físico e o simulado no computador quântico, e pode haver uma réplica do buraco negro conectando-os”, disse Douglas Stanford, um físico teórico de Stanford e membro da equipe da Costa Oeste. Essa ideia é um exemplo de uma proposta de Maldacena e Leonard Susskind, de Stanford, em 2013, de que o emaranhamento quântico pode ser considerado um buraco de minhoca. O buraco de minhoca, por sua vez, fornece um túnel secreto pelo qual as informações podem escapar do interior.
Os teóricos têm debatido intensamente como interpretar literalmente todos esses buracos de minhoca. Os buracos de minhoca estão tão profundamente enterrados nas equações que sua conexão com a realidade parece tênue, mas eles têm consequências tangíveis. “É difícil responder o que é físico e o que não é físico”, disse Raghu Mahajan, um físico de Stanford, “porque há algo claramente certo sobre esses buracos de minhoca”.
Mas em vez de pensar nos buracos de minhoca como portais reais situados lá fora no universo, Mahajan e outros especulam que eles são um sinal de uma nova física não local. Ao conectar dois locais distantes, os buracos de minhoca permitem que ocorrências em um lugar afetem um lugar distante diretamente, sem que uma partícula, força ou outra influência tenha que cruzar a distância intermediária – tornando isso um exemplo do que os físicos chamam de não localidade. “Eles parecem sugerir que você tem efeitos não locais”, disse Almheiri. Nos cálculos do buraco negro, a ilha e a radiação são um sistema visto em dois lugares, o que equivale a uma falha do conceito de “lugar”. “Sempre soubemos que algum tipo de efeito não local deve estar envolvido na gravidade, e este é um deles”, disse Mahajan. “Coisas que você pensava serem independentes não são realmente independentes.”
À primeira vista, isso é muito surpreendente. Einstein construiu a relatividade geral com o propósito expresso de eliminar a não localidade da física. A gravidade não atinge o espaço instantaneamente. Ele deve se propagar de um lugar para outro em velocidade finita, como qualquer outra interação na natureza. Mas, ao longo das décadas, os físicos perceberam que as simetrias nas quais a relatividade se baseia criam uma nova geração de efeitos não-locais.
Em fevereiro passado, Marolf e Henry Maxfield, também em Santa Bárbara, estudaram a não localidade implícita nos novos cálculos de buracos negros. Eles descobriram que as simetrias da relatividade têm efeitos ainda mais extensos do que comumente se supõe, o que pode dar ao espaço-tempo a qualidade de corredor de espelhos vista nas análises de buracos negros.
Tudo isso reforça o palpite de muitos físicos de que o espaço-tempo não é o nível raiz da natureza, mas em vez disso emerge de algum mecanismo subjacente que não é espacial ou temporal. Para muitos, essa foi a principal lição da dualidade AdS / CFT. Os novos cálculos dizem quase a mesma coisa, mas sem se comprometer com a dualidade ou com a teoria das cordas. Buracos de minhoca surgem porque são a única linguagem que a integral de caminho pode usar para transmitir que o espaço está se quebrando. Eles são a maneira da geometria dizer que o universo é, em última análise, não geométrico
O fim do começo
Físicos não envolvidos no trabalho, ou mesmo na teoria das cordas, dizem que ficam impressionados, embora sejam devidamente céticos. “Tiremos o chapéu para eles, já que esses cálculos não são triviais”, disse Daniele Oriti, da Universidade Ludwig Maximilian de Munique.
Mas alguns se sentem desconfortáveis com a pilha cambaleante de idealizações usadas na análise, como a restrição do universo a menos de três dimensões espaciais. A onda anterior de empolgação sobre o caminho integral nos anos 80, impulsionada pelo trabalho de Hawking, diminuiu em parte porque os teóricos estavam nervosos com o acúmulo de aproximações. Os físicos de hoje estão caindo na mesma armadilha? “Vejo as pessoas fazerem os mesmos argumentos acenando com a mão que foram feitos 30 anos atrás”, disse Renate Loll, da Radboud University, na Holanda, uma especialista na integral da trajetória gravitacional. Ela argumentou que os buracos de minhoca precisam ser expressamente proibidos para que a integral dê resultados razoáveis.
Os céticos também temem que os autores tenham interpretado exageradamente o truque da réplica. Ao supor que as réplicas podem ser conectadas gravitacionalmente, os autores vão além das invocações anteriores da manobra. “Eles estão postulando que todas as geometrias que conectam diferentes réplicas são permitidas, mas não está claro como isso se encaixa na estrutura das regras quânticas”, disse Steve Giddings, de Santa Bárbara.
Dadas as incertezas do cálculo, alguns não estão convencidos de que uma solução esteja disponível dentro da teoria semiclássica. “Não há uma boa escolha se você se restringe à mecânica quântica e à gravidade”, disse Warner. Ele defendeu modelos nos quais efeitos filamentosos evitam a formação de buracos negros. Mas o resultado é amplamente semelhante: o espaço-tempo passa por uma transição de fase para uma estrutura muito diferente.
O ceticismo é justificado, senão porque o trabalho recente é complicado e cru. Os físicos levarão algum tempo para digeri-lo e encontrar uma falha fatal nos argumentos ou se convencer de que funcionam. Afinal, mesmo os físicos por trás dos esforços não esperavam resolver o paradoxo da informação sem uma teoria quântica completa da gravidade. Na verdade, eles pensaram que o paradoxo era seu fulcro para extrair essa teoria mais detalhada. “Se você tivesse me perguntado há dois anos, eu teria dito: ‘A curva da página – isso é muito longe'”, disse Engelhardt. “Vamos precisar de algum tipo de compreensão [mais profunda] da gravidade quântica. ‘”
Mas, supondo que os novos cálculos resistam a um exame minucioso, eles de fato fecham a porta para o paradoxo da informação do buraco negro? O trabalho recente mostra exatamente como calcular a curva da página, que por sua vez revela que a informação sai do buraco negro. Portanto, parece que o paradoxo da informação foi superado. A teoria dos buracos negros não contém mais uma contradição lógica que a torna paradoxal.
Mas em termos de dar sentido aos buracos negros, isso é no máximo o fim do começo. Os teóricos ainda não mapearam o processo passo a passo pelo qual a informação sai. “Agora podemos calcular a curva da página e não sei por quê”, disse Raphael Bousso, de Berkeley. Para os astronautas que perguntam se podem sair de um buraco negro, os físicos podem responder: “Claro!” Mas se os astronautas perguntarem como fazer isso, a resposta inquietante será: “Nenhuma pista.”
Publicado em 31/10/2020 21h36
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