O estranho destino de uma pessoa caindo em um buraco negro

Se você caiu em um buraco negro, você pode esperar morrer instantaneamente. Mas, na verdade, seu destino seria muito mais estranho do que isso. 

Esta foi a história mais lida na BBC Earth em 2015. Isso poderia acontecer com qualquer um. Talvez você esteja fora tentando encontrar um novo planeta habitável para a raça humana, ou talvez você esteja apenas em uma longa caminhada e escorregue. Quaisquer que sejam as circunstâncias, em algum momento todos nos encontramos diante da antiga questão: o que acontece quando você cai em um buraco negro?

Você pode esperar ser esmagado, ou talvez despedaçado. Mas a realidade é mais estranha que isso. No instante em que você entrou no buraco negro, a realidade se dividiria em dois. Em um deles, você seria instantaneamente incinerado, e no outro você mergulharia no buraco negro totalmente ileso.

Objetos pesados ​​entortam o próprio tecido do espaço (Crédito: Julian Baum / SPL)

Um buraco negro é um lugar onde as leis da física como as conhecemos se quebram. Einstein nos ensinou que a gravidade distorce o próprio espaço, fazendo com que ele se curve. Assim, dado um objeto suficientemente denso, o espaço-tempo pode ficar tão deformado que se torce sobre si mesmo, abrindo um buraco no próprio tecido da realidade.  

Uma estrela massiva que ficou sem combustível pode produzir o tipo de densidade extrema necessária para criar um pedaço de mundo tão mutilado. À medida que se deforma sob o seu próprio peso e colapsa para dentro, o espaço-tempo entra em cavernas. O campo gravitacional torna-se tão forte que nem a luz consegue escapar, tornando a região onde a estrela costumava ser profundamente escura: um buraco negro. 

Conforme você vai mais fundo no buraco negro, o espaço fica cada vez mais cheio de curvas.

O limite mais externo do buraco é o seu horizonte de eventos, o ponto no qual a força gravitacional neutraliza com precisão os esforços da luz para escapar dela. Aproxime-se disso e não há como escapar.

O horizonte de eventos está em chamas com energia. Os efeitos quânticos na borda criam fluxos de partículas quentes que se irradiam de volta para o universo. Isso é chamado de radiação Hawking, depois do físico Stephen Hawking, que previu isso. Com tempo suficiente, o buraco negro irradiará sua massa e desaparecerá.

Conforme você vai mais fundo no buraco negro, o espaço fica cada vez mais curvilíneo até que, no centro, ele se torna infinitamente curvo. Essa é a singularidade. O espaço e o tempo deixam de ser idéias significativas, e as leis da física como as conhecemos - todas elas requerem espaço e tempo - não se aplicam mais. O que acontece aqui, ninguém sabe. Outro universo? Esquecimento? As costas de uma estante de livros ? É um mistério.

Em um buraco negro, o espaço se torna infinitamente curvo (Crédito: Henning Dalhoff / SPL)

Então, o que acontece se você cair acidentalmente em uma dessas aberrações cósmicas? Vamos começar perguntando ao seu companheiro espacial - vamos chamá-la de Anne - que assiste horrorizada enquanto você mergulha na direção do buraco negro, enquanto ela permanece em segurança do lado de fora. De onde ela está flutuando, as coisas estão prestes a ficar estranhas.

Conforme você acelera em direção ao horizonte de eventos, Anne vê você se esticar e se contorcer, como se estivesse vendo você através de uma lupa gigante. Além disso, quanto mais se aproxima do horizonte mais parece mover-se em câmara lenta.

Antes que você atravesse a escuridão do buraco negro, você está reduzido a cinzas

Você não pode gritar para ela, já que não há ar no espaço, mas você pode tentar mostrar uma mensagem Morse com a luz no seu iPhone (há um aplicativo para isso). No entanto, suas palavras a alcançam cada vez mais devagar, as ondas de luz se esticando para frequências cada vez mais baixas e mais avermelhadas: "Tudo bem, tudo bem, eu sou um ..."

Quando você alcança o horizonte, Anne vê você congelar, como se alguém tivesse apertado o botão de pausa. Você permanece engessado ali, imóvel, esticado na superfície do horizonte enquanto um calor crescente começa a engolir você.

De acordo com Anne, você é lentamente obliterado pelo alongamento do espaço, a parada do tempo e o fogo da radiação de Hawking. Antes de você entrar na escuridão do buraco negro, você fica reduzido a cinzas. Mas antes de planejarmos seu funeral, vamos esquecer Anne e ver essa cena horrível do seu ponto de vista. Agora, algo ainda mais estranho acontece: nada.

O limite de um buraco negro pode ser um firewall em chamas (Crédito: Equinox Graphics / SPL)

Você navega direto para o destino mais agourento da natureza, sem sequer um solavanco ou um balanço - e, certamente, sem alongamento, desaceleração ou radiação escaldante. Isso porque você está em queda livre e, portanto, não sente gravidade: algo que Einstein chamou de "pensamento mais feliz".

Em um buraco negro grande o suficiente, você poderia viver o resto da sua vida muito normalmente

Afinal, o horizonte de eventos não é como uma parede de tijolos flutuando no espaço. É um artefato de perspectiva. Um observador que permanece fora do buraco negro não pode ver através dele, mas isso não é problema seu. Tanto quanto você está preocupado, não há horizonte.

Claro, se o buraco negro fosse menor, você teria um problema. A força da gravidade seria muito mais forte aos seus pés do que à sua cabeça, estendendo-se como um pedaço de espaguete. Mas, para sua sorte, este é um grande, milhões de vezes mais massivo que o nosso Sol, de modo que as forças que podem espaguete-lo são fracas o suficiente para serem ignoradas.  De fato, em um buraco negro grande o suficiente, você poderia viver o resto da sua vida normalmente antes de morrer na singularidade.

O horizonte de eventos não é uma barreira sólida (Crédito: Richard Kail / SPL)

Quão normal poderia ser, você pode se perguntar, já que está sendo sugado para uma ruptura no contínuo espaço-temporal, puxado contra sua vontade, incapaz de voltar para o outro lado?

Você não pode se virar e escapar do buraco negro

Mas quando você pensa sobre isso, todos nós conhecemos esse sentimento, não da nossa experiência com o espaço, mas com o tempo. O tempo só vai para frente, nunca para trás, e nos puxa contra nossa vontade , impedindo-nos de nos virar.

Isto não é apenas uma analogia. Os buracos negros distorcem o espaço e o tempo a tal ponto que, dentro do horizonte do buraco negro, o espaço e o tempo trocam de papéis. De certo modo, é realmente o tempo que o atrai para a singularidade. Você não pode se virar e escapar do buraco negro, mais do que você pode se virar e voltar ao passado.

Neste ponto, você pode querer parar e fazer uma pergunta urgente: O que há de errado com Anne? Se você está relaxando dentro do buraco negro, cercado por nada mais estranho do que o espaço vazio, por que ela está insistindo que você foi queimado de uma forma nítida pela radiação fora do horizonte? Ela está alucinando?

"Hawking radiação" flui para fora do horizonte de eventos (Crédito: Richard Kail / SPL)

Na verdade, Anne está sendo perfeitamente razoável. Do seu ponto de vista, você realmente foi queimado até o horizonte. Não é uma ilusão. Ela poderia até mesmo recolher suas cinzas e enviá-las de volta para seus entes queridos.

Na verdade, as leis da natureza exigem que você permaneça fora do buraco negro, como pode ser visto na perspectiva de Anne. Isso porque a física quântica exige que a informação nunca seja perdida. Cada pedaço de informação que explica sua existência tem que ficar do lado de fora do horizonte, para que as leis da física de Anne não sejam quebradas.

Você tem que estar em dois lugares, mas só pode haver uma cópia de você

Por outro lado, as leis da física também exigem que você navegue pelo horizonte sem encontrar partículas quentes ou algo fora do comum. Caso contrário, você estaria violando o pensamento mais feliz de Einstein e sua teoria da relatividade geral.

Assim, as leis da física exigem que você esteja tanto fora do buraco negro em uma pilha de cinzas e dentro do buraco negro vivo e bem. Por último, mas não menos importante, há uma terceira lei da física que diz que a informação não pode ser clonada. Você tem que estar em dois lugares, mas só pode haver uma cópia de você.

De alguma forma, as leis da física nos apontam para uma conclusão que parece um tanto sem sentido. Os físicos chamam este enigma irritante o paradoxo da informação do buraco negro. Felizmente, nos anos 90, eles encontraram uma maneira de resolvê-lo.

Uma vez que você cai, não há como sair (Crédito: Science Photo Library)

Leonard Susskind percebeu que não há paradoxo, porque ninguém nunca vê seu clone. Anne só vê uma cópia sua. Você só vê uma cópia sua. Você e Anne nunca podem comparar notas. E não há terceiro observador que possa ver tanto dentro como fora de um buraco negro simultaneamente. Então, nenhuma lei da física é quebrada.

A realidade depende de quem você pergunta

A menos que, isto é, você exija saber qual história é realmente verdadeira. Você está realmente morto ou você está realmente vivo?

O grande segredo que os buracos negros nos revelaram é que não há realmente . A realidade depende de quem você pergunta. Existe a realidade de Ana e existe a sua realidade. Fim da história. Bem, quase. No verão de 2012, os físicos Ahmed Almheiri, Donald Marolf, Joe Polchinski e James Sully, coletivamente conhecidos como AMPS, planejaram um experimento mental que ameaçava derrubar tudo o que pensávamos saber sobre buracos negros.

Ninguém tem certeza do que está dentro de um buraco negro (Crédito: Henning Dalhoff / SPL)

Eles perceberam que a solução de Susskind dependia do fato de que qualquer desacordo entre você e Anne é mediado pelo horizonte de eventos. Não importava se Anne via a versão infeliz de você dispersa entre a radiação de Hawking, porque o horizonte a impedia de ver a outra versão de você flutuando dentro do buraco negro.

Anne pode dar uma olhada atrás do horizonte

Mas e se houvesse uma maneira dela descobrir o que estava do outro lado do horizonte, sem realmente atravessá-lo?

A relatividade comum diria que isso é um não-não, mas a mecânica quântica torna as regras um pouco confusas. Anne poderia dar uma espiada por trás do horizonte, usando um pequeno truque que Einstein chamava de "ação assustadora a distância".

Isso acontece quando dois conjuntos de partículas que estão separados no espaço são misteriosamente "emaranhados". Eles são parte de um único e indivisível todo, de modo que a informação necessária para descrevê-los não pode ser encontrada em nenhum conjunto sozinho, mas nos links assustadores entre eles.

Partículas amplamente separadas podem ser estranhamente "emaranhadas" (Crédito: Victor de Schwanberg / SPL)

A ideia do AMPS foi algo assim. Digamos que Anne agarre um pouco de informação perto do horizonte - chame-a de A.

Cada bit de informação só pode ser entrelaçado uma vez

Se a história dela está certa, e você é um caso perdido, misturado com a radiação de Hawking do lado de fora do buraco negro, então A precisa se enredar com outro pedaço de informação, B, que também faz parte da nuvem quente de radiação.

Por outro lado, se a sua história é a verdadeira, e você está vivo e bem do outro lado do horizonte de eventos, então A deve estar envolvido com um bit diferente de informação, C, que está em algum lugar dentro do buraco negro. .

Aqui está o kicker: cada bit de informação só pode ser enredado uma vez. Isso significa que A só pode ser entrelaçado com B ou com C, não com ambos.

Buracos negros podem puxar o material das estrelas próximas (Crédito: NASA / CXC / M. Weiss)

Então Anne pega seu bit, A, e o coloca em sua conveniente máquina de decodificação de entrelaçamento, que produz uma resposta: B ou C.

Você planeja e vive uma vida normal?

Se a resposta for C, então sua história vence, mas as leis da mecânica quântica estão quebradas. Se A está emaranhado com C, que está dentro do buraco negro, então essa informação perde para Anne para sempre. Isso quebra a lei quântica de que a informação nunca pode ser perdida.

Isso deixa B. Se a máquina de decodificação de Anne descobre que A está emaranhado com B, então Anne vence e a relatividade geral perde. Se A está enredado com B, a história de Anne é a única história verdadeira, o que significa que você realmente foi queimado. Em vez de navegar direto pelo horizonte, como a relatividade diz que você deveria, você acertou um firewall em chamas.

Então, estamos de volta aonde começamos: o que acontece quando você cai em um buraco negro? Você planeja e vive uma vida normal, graças a uma realidade que é estranhamente dependente do observador? Ou você se aproxima do horizonte do buraco negro apenas para colidir com um firewall mortal?

Buracos negros distorcem os raios de luz, causando "lentes" (Crédito: Ute Kraus, CC por 2.5)

Ninguém sabe a resposta e se tornou uma das questões mais contenciosas da física fundamental.

Levaria Anne um tempo extraordinariamente longo para decodificar o entrelaçamento

Os físicos passaram mais de um século tentando reconciliar a relatividade geral com a mecânica quântica , sabendo que um dia ou outro teria que dar. A solução para o paradoxo do firewall deve nos dizer qual, e apontar o caminho para uma teoria ainda mais profunda do universo.

Uma pista pode estar na máquina de decodificação de Anne. Descobrir com que outro bit de informação A está enredado é um problema extraordinariamente complicado. Então os físicos Daniel Harlow, da Universidade de Princeton, em Nova Jersey, e Patrick Hayden , agora na Universidade de Stanford, na Califórnia, imaginaram quanto tempo levaria.

Em 2013, eles calcularam que, mesmo com o computador mais rápido que as leis da física permitiriam, levaria a Anne um tempo extraordinariamente longo para decodificar o entrelaçamento. Quando ela teve uma resposta, o buraco negro teria evaporado por muito tempo , desaparecendo do universo e levando consigo a ameaça de um firewall mortal.

Centaurus A tem um buraco negro (Crédito: ESO / WFI / MPIfR / APEX / A. Weiss / NASA / CXC / CfA / R. Kraft)

Se for esse o caso, a enorme complexidade do problema pode impedir Anne de descobrir qual é a história real. Isso deixaria as duas histórias simultaneamente verdadeiras, a realidade intrigantemente dependente do observador, todas as leis da física intactas e ninguém correndo perigo de encontrar uma inexplicável muralha de fogo.

Se a verdadeira natureza da realidade está escondida em algum lugar, o melhor lugar para procurar é um buraco negro

Também dá aos físicos algo novo em que pensar: as conexões tentadoras entre cálculos complexos (como o que Anne aparentemente não pode fazer) e o espaço-tempo. Isso pode abrir a porta para algo ainda mais profundo.

Essa é a coisa sobre buracos negros. Eles não são apenas obstáculos irritantes para os viajantes espaciais. Eles também são laboratórios teóricos que tomam as mais sutis peculiaridades das leis da física, amplificando-os a tais proporções que não podem ser ignorados.

Se a verdadeira natureza da realidade está escondida em algum lugar, o melhor lugar para procurar é um buraco negro. É provavelmente melhor olhar de fora: pelo menos até descobrirem toda essa coisa de firewall. Ou manda Anne entrar. Já é a vez dela.

Fonte: BBC.COM