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Ao mastigar os problemas colocados pelos buracos negros "extremais", os físicos expuseram uma conexão surpreendente e universal entre energia e entropia.
Buracos negros extremais retêm o máximo de carga elétrica possível. Seus destinos consumiram a atenção dos físicos teóricos.
Revista Olena Shmahalo / Quanta
s físicos gostam de sondar o extremo", disse Garrett Goon , físico da Universidade Carnegie Mellon. "O fato de que você não pode ir mais longe, que algo está mudando, algo está bloqueando você - algo interessante está acontecendo lá."
Por décadas, os buracos negros desempenharam o papel principal nas experiências de pensamento que os físicos usam para sondar os extremos da natureza. Essas esferas invisíveis se formam quando a matéria se torna tão concentrada que tudo a uma certa distância, até a luz, fica preso por sua gravidade. Albert Einstein equipara a força da gravidade a curvas no continuum espaço-tempo, mas a curvatura cresce tão extremamente perto do centro de um buraco negro que as equações de Einstein quebram. Assim, gerações de físicos procuraram nos buracos negros pistas sobre a verdadeira origem quântica da gravidade, que deve se revelar completamente em seus corações e corresponder à imagem aproximada de Einstein em qualquer outro lugar.
Os buracos negros do encanamento para conhecimento da gravidade quântica se originaram com Stephen Hawking. Em 1974, o físico britânico calculou que o tremor quântico nas superfícies dos buracos negros os faz evaporar, encolhendo lentamente à medida que irradiam calor. A evaporação do buraco negro tem informado a pesquisa da gravidade quântica desde então.
Mais recentemente, os físicos consideraram o extremo do extremo - entidades chamadas buracos negros extremais - e encontraram um novo problema frutífero.
Os buracos negros ficam eletricamente carregados quando coisas carregadas caem neles. Os físicos calculam que os buracos negros têm um "limite extremal", um ponto de saturação onde armazenam o máximo de carga elétrica possível para o seu tamanho. Quando um buraco negro carregado evapora e encolhe da maneira descrita por Hawking, eventualmente atingirá esse limite externo. É então o mais pequeno possível, considerando a carga. Não pode evaporar ainda mais.
Mas a idéia de que um buraco negro extremal "para de irradiar e fica parado lá" é implausível, disse Grant Remmen , físico da Universidade da Califórnia em Berkeley. Nesse caso, o universo do futuro distante estará repleto de restos minúsculos e indestrutíveis de buracos negros - os restos de quaisquer buracos negros que carregam até um toque de carga, já que todos se tornarão extremais depois de evaporar o suficiente. Não existe um princípio fundamental para proteger esses buracos negros, então os físicos não pensam que deveriam durar para sempre.
Portanto, "há uma pergunta", disse Sera Cremonini, da Universidade de Lehigh: "O que acontece com todos esses buracos negros extremas?"
Os físicos suspeitam fortemente que os buracos negros extremas devam decair, resolvendo o paradoxo, mas por alguma outra via que não a evaporação de Hawking. Investigar as possibilidades levou os pesquisadores nos últimos anos a grandes pistas sobre a gravidade quântica.
Quatro físicos perceberam em 2006 que, se buracos negros extremos podem decair, isso implica que a gravidade deve ser a força mais fraca em qualquer universo possível, uma afirmação poderosa sobre a relação da gravidade quântica com as outras forças quânticas. Essa conclusão trouxe maior escrutínio aos destinos dos buracos negros extremos.
Então, há dois anos, Remmen e colaboradores Clifford Cheung e Junyu Liu, do Instituto de Tecnologia da Califórnia descobriram que se buracos negros extremais podem decair depende diretamente de outra propriedade essencial dos buracos negros: sua entropia - uma medida de quantas maneiras diferentes um objeto possui. partes constituintes podem ser reorganizadas. A entropia é uma das características mais estudadas dos buracos negros, mas não se pensava que tivesse algo a ver com seu limite extremal. "É como, uau, ok, duas coisas muito legais estão conectadas", disse Cheung.
Na surpresa mais recente, esse link acaba exemplificando um fato geral sobre a natureza. Em um artigo publicado em março na Physical Review Letters , Goon e Riccardo Penco ampliaram as lições do trabalho anterior, provando uma fórmula simples e universal que relaciona energia e entropia. A nova fórmula se aplica a um sistema como um gás e um buraco negro.
Com os cálculos recentes, "você realmente está aprendendo sobre a gravidade quântica", disse Goon. "Mas talvez ainda mais interessante, você esteja aprendendo algo sobre mais coisas do cotidiano."
Buracos negros no extremo
Os físicos vêem com muita facilidade que os buracos negros carregados atingem um limite extremal. Quando combinam as equações de gravidade de Einstein e as equações do eletromagnetismo, calculam que a carga de um buraco negro, Q , nunca pode superar sua massa, M , quando ambas são convertidas nas mesmas unidades fundamentais. Juntas, a massa e a carga do buraco negro determinam seu tamanho - o raio do horizonte de eventos. Enquanto isso, a carga do buraco negro também cria um segundo horizonte "interno", oculto atrás do horizonte de eventos. À medida que Q aumenta, o horizonte interno do buraco negro se expande enquanto o horizonte de eventos se contrai até que, em Q = M , os dois horizontes coincidem.
Se Q aumentasse ainda mais, o raio do horizonte de eventos se tornaria um número complexo (envolvendo a raiz quadrada de um número negativo), em vez de um número real. Isso não é físico. Portanto, de acordo com uma simples mistura da teoria do eletromagnetismo e da gravidade einsteiniana de James Clerk Maxwell, no século XIX, Q = M deve ser o limite.
Quando um buraco negro atinge esse ponto, uma opção simples para deterioração adicional seria dividir-se em dois buracos negros menores. No entanto, para que essa divisão ocorra, as leis de conservação de energia e de carga exigem que um dos objetos filhas termine com mais carga que massa. Isso, segundo Einstein-Maxwell, é impossível.
Infografia de 5W para a Quanta Magazine
Mas pode haver uma maneira de os buracos negros extraterrestres se dividirem em dois, como Nima Arkani-Hamed, Lubos Motl, Alberto Nicolis e Cumrun Vafa apontaram em 2006. Eles observaram que as equações combinadas de Einstein e Maxwell não funcionam bem para pequenos buracos negros fortemente curvados. Em escalas menores, detalhes adicionais relacionados às propriedades quânticas da gravidade se tornam mais importantes. Esses detalhes contribuem com correções para as equações de Einstein-Maxwell, alterando a previsão do limite extremal. Os quatro físicos mostraram que quanto menor for o buraco negro, a mais importante das correcções tornar-se, fazendo com que o limite de extremos para mover cada vez mais longe a partir de Q = H .
Os pesquisadores também apontaram que, se as correções tiverem o sinal certo - positivo e não negativo -, pequenos buracos negros poderão carregar mais carga do que massa. Para eles, Q > M , que é exatamente o que é necessário para que os grandes buracos negros extremais se deteriorem.Se esse for o caso, não apenas os buracos negros podem decair, mas Arkani-Hamed, Motl, Nicolis e Vafa mostraram que outro fato sobre a natureza também se segue: a gravidade deve ser a força mais fraca. A carga de um objeto, Q , é sua sensibilidade a qualquer força que não seja a gravidade. Sua massa, M , é sua sensibilidade à gravidade. Então Q > M significa que a gravidade é a mais fraca das duas.Partindo do pressuposto de que os buracos negros deveriam ser capazes de decair, os quatro físicos fizeram uma conjetura mais abrangente de que a gravidade deve ser a força mais fraca de qualquer universo viável. Em outras palavras, objetos com Q > M sempre existirão, para qualquer tipo de carga Q , sejam eles partículas como elétrons (que, de fato, têm muito mais carga elétrica que massa) ou pequenos buracos negros.Essa "conjectura fraca da gravidade" tornou-se extremamente influente, dando suporte a várias outras idéias sobre a gravidade quântica. Mas Arkani-Hamed, Motl, Nicolis e Vafa não provaram que Q > M , ou que buracos negros extremas podem decair. As correções da gravidade quântica até o limite externo podem ser negativas; nesse caso, pequenos buracos negros podem carregar ainda menos carga por unidade de massa do que os grandes. Buracos negros extremos não decairiam, e a fraca conjectura gravitacional não se sustentaria.Tudo isso significava que os pesquisadores precisavam descobrir qual é realmente o sinal das correções da gravidade quântica.Desordem em toda parteA questão das correções da gravidade quântica surgiu antes, em outra linha aparentemente não relacionada do estudo de buracos negros.Quase 50 anos atrás, os falecidos físicos Jacob Bekenstein e Stephen Hawking descobriram independentemente que a entropia de um buraco negro é diretamente proporcional à sua área de superfície. A entropia, comumente considerada como uma medida de desordem, conta o número de maneiras pelas quais as partes internas de um objeto podem ser reorganizadas sem nenhuma alteração em seu estado geral. (Se uma sala estiver bagunçada ou com alta entropia, por exemplo, você pode mover objetos aleatoriamente e ela ficará bagunçada; por outro lado, se uma sala estiver arrumada ou com baixa entropia, mover as coisas tornará menos arrumado.) Ao construir uma ponte entre a entropia de um buraco negro, que diz respeito aos seus ingredientes microscópicos internos e sua área geométrica de superfície, a lei da área de entropia de Bekenstein e Hawking se tornou um dos pontos mais fortes dos físicos para estudar buracos negros e gravidade quântica.Bekenstein e Hawking deduziram sua lei aplicando as equações de gravidade de Einstein (juntamente com as leis da termodinâmica) à superfície do buraco negro. Eles trataram essa superfície como lisa e ignoraram qualquer estrutura existente em curtas distâncias.Em 1993, o físico Robert Wald da Universidade de Chicago mostrouque é possível fazer melhor. Wald encontrou truques inteligentes para inferir os pequenos efeitos que emanam de níveis mais microscópicos da realidade, sem saber qual é a descrição completa desse nível mais profundo da realidade. Sua tática, pioneira em um contexto diferente pelo físico de matéria condensada Kenneth Wilson, foi escrever todos os efeitos físicos possíveis. Nas equações de Einstein, Wald mostrou como adicionar uma série de termos extras - quaisquer termos que tenham as dimensões e unidades corretas, construídos com todas as variáveis fisicamente relevantes - que possam descrever as propriedades de curta distância desconhecidas da superfície de um buraco negro. "Você pode escrever o conjunto mais geral de termos que você poderia ter, em princípio, que descrevem curvaturas [de buracos negros] de um determinado tamanho", disse Cremonini.
Fonte: Quanta Magazine / 10-06-2020
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HélioR.M.Cabral (Economista,
Escritor e Divulgador de conteúdos da
Astronomia, Astrofísica, Astrobiologia e Climatologia).
Autor do livro: “Conhecendo o Sol e outras Estrelas”.
Membro da Society for
Science andthePublic (SSP) e assinante de conteúdoscientíficos da NASA
(NationalAeronauticsand Space Administration) e ESA (European Space Agency).
Participa
do projeto S`CoolGroundObservation (Observações de Nuvens) que é integrado ao
Projeto CERES (CloudsandEarth´sRadiant Energy System) administrado pela NASA.A partir de 2019, tornou-se membro da Sociedade Astronômica
Brasileira (SAB), como astrônomo amador.
Participa também do projeto The GlobeProgram / NASA
GlobeCloud, um Programa de Ciência e Educação Worldwide, que também tem o
objetivo de monitorar o Clima em toda a Terra. Este projeto é patrocinado pela
NASA e National Science Fundation (NSF), e apoiado pela
NationalOceanicandAtmosphericAdministration (NOAA) e U.S DepartmentofState.
e-mail: heliocabral@coseno.com.br
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