Físicos teorizam que um novo tipo de buraco de minhoca “transitável” poderia resolver um paradoxo desconcertante e resgatar informações que caem em buracos negros.
Em 1985, quando Carl Sagan estava escrevendo o romance Contato, ele precisava transportar rapidamente sua protagonista, a Dra. Ellie Arroway, da Terra à estrela Vega. Ela teria que entrar num buraco negro e sair anos-luz de distância em outro lugar, mas ele não sabia se isso fazia sentido. O astrofísico e estrela de TV que trabalhara na Universidade Cornell consultou seu amigo Kip Thorne, um especialista em buraco negro no Instituto de Tecnologia da Califórnia (que ganhou um Prêmio Nobel no início deste mês). Thorne sabia que Arroway não poderia chegar a Vega através de um buraco negro, que é pensado para interceptar e destruir qualquer coisa que cai sobre ele. Mas ocorreu-lhe que ela poderia fazer uso de outro tipo de buraco consistente com a teoria geral da relatividade de Albert Einstein: um túnel ou “buraco de minhoca” que conecta locais distantes no espaço-tempo.
Enquanto os mais simples buracos de minhoca teóricos colapsam-se e desaparecem antes de qualquer coisa pode passar imediatamente, Thorne se perguntou se não seria possível para um “infinitamente avançado” sci-fi civilização para estabilizar um buraco de minhoca tempo suficiente para que algo ou alguém para atravessá-lo. Ele descobriu que uma tal civilização poderia, de facto alinhar a garganta de um buraco de minhoca com “materiais exóticos” que neutraliza sua tendência a entrar em colapso. O material iria possuir energia negativa, que desviaria radiação e repulsa espaço-tempo para além da própria. Sagan usou o truque em contato, Atribuindo a invenção do material exótico, uma civilização perdida antes para evitar entrar em pormenores. Enquanto isso, essas indicações encantado Thorne, seus alunos e muitos outros físicos, que passou anos a explorar buracos de minhoca traversable e suas implicações teóricas. Eles descobriram que esses buracos de minhoca pode servir como máquinas do tempo, invocando paradoxos de viagem no tempo – evidência de que material exótico é proibido na natureza.
Agora, décadas depois, uma nova espécie de buraco de minhoca transitável surgiu, livre de material exótico e cheio de potencial para ajudar os físicos resolver um paradoxo desconcertante sobre os buracos negros. Este paradoxo é o mesmo problema que assolou o projeto inicial do livro “Contato” e que levou Thorne a contemplar os buracos de minhoca transitável em primeiro lugar; ou seja, que as coisas que caem em buracos negros parecem desaparecer sem deixar vestígios. Este apagamento total de informações quebra as regras da mecânica quântica, e assim confunde especialistas que nos últimos anos, têm argumentado que os interiores de buracos negros realmente não existem – e que o espaço e o tempo estranhamente termina em seus horizontes.
A enxurrada de descobertas começou no ano passado com um artigo que relatou o primeiro buraco de minhoca transitável que não requer a inserção de material exótico para permanecer aberto. Em vez disso, de acordo com a Ping Gao e Daniel Jafferis da Universidade de Harvard e Aron Wallda, da Universidade de Stanford, a energia negativa repulsiva na garganta do buraco de minhoca pode ser gerada a partir do exterior por uma conexão quântica especial entre o par de buracos negros que formam as duas bocas do wormhole. Quando os buracos negros estão conectados no caminho certo, qualquer coisa lançada em um vai viajar ao longo do buraco de minhoca e, após certos eventos no Universo, ela sairá na outra ponta, no segundo buraco negro. Notavelmente, Gao, Jafferis e Wall notou que seu cenário é matematicamente equivalente a um processo chamado teletransporte quântico, que é a chave para a criptografia quântica e pode ser demonstrado em experimentos de laboratório.
John preskill, um especialista em gravidade quântica e buracos negros na Caltech, diz que o novo buraco de minhoca transitável vem como uma surpresa, com implicações para o paradoxo da informação buraco negro. “O que eu realmente gosto”, disse ele, “é que um observador pode entrar no buraco negro e, em seguida, escapar e dizer o que ele viu lá.” Isto sugere que os interiores do buraco negro realmente existem, explicou ele, e que o que entra deve sair.
Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine
A Equação Críptica
A nova pesquisa com buracos de minhoca começou em 2013, quando Jafferis participou de uma conversa intrigante na conferência de Teoria das Cordas na Coreia do Sul. O palestrante, Juan Maldacena, um professor de física no Instituto de Estudos Avançados de Princeton, New Jersey, tinha recém-concluído, com base em diversas sugestões e argumentos, que “ER = EPR.” Ou seja, buracos de minhoca entre pontos distantes no espaço- tempo, os mais simples dos quais são chamados de pontes de Einstein-Rosen ou “ER”, são equivalentes (embora de alguma forma mal definida) à partículas quânticas emaranhadas, também conhecidas como pares de Einstein-Podolsky-Rosen ou “EPR”. O ER = conjectura EPR, representada pelo Maldacena e Leonard Susskind de Stanford, foi uma tentativa de resolver a encarnação moderna do famoso paradoxo da informação em buracos negros, amarrando a geometria do espaço-tempo, regidos pela relatividade geral, as conexões quânticas instantâneas entre partículas separadas à distância – o que Einstein chamou de “ação fantasmagórica à distância.”
O paradoxo surgiu em 1974, quando o físico britânico Stephen Hawking determinou que os buracos negros evaporam – liberando lentamente uma calor sob a forma de partículas agora conhecidas como “radiação Hawking.” Hawking calculou que este calor é completamente aleatório; não contém informações sobre o conteúdo do buraco negro. A medida que o buraco negro desaparece da existência, o registro de tudo o que acontecia lá dentro também some. Isso viola um princípio chamado “unitariedade,” a espinha dorsal da teoria quântica, que sustenta que, a medida que partículas interagem, as informações sobre elas nunca se perdem, apenas são embaralhadas, de modo que, se a seta do tempo na evolução quântica do Universo for invertida, você verá as coisas desembaralharem em uma recriação exata do passado.
Quase todo mundo acredita na unitariedade, o que significa que a informação deve escapar dos buracos negros – mas como? Nos últimos cinco anos, alguns teóricos como Joseph Polchinski da Universidade da Califórnia, Santa Barbara, têm argumentado que os buracos negros são conchas vazias sem interiores – a protagonista Ellie, após bater no horizonte de eventos de um buraco negro, encontraria um “firewall” e irradiaria para fora outra vez.
Muitos teóricos acreditam em interiores de buracos negros (e transições mais suaves em todo os seus horizontes), mas, a fim de entendê-los, eles devem descobrir o destino das informações que caem dentro. Isto é fundamental para a construção de um trabalho de uma teoria quântica da gravidade, a unificação das descrições quântica e relativística da natureza, que está em um relevo mais acentuado no interior do buraco negro, onde a extrema gravidade atua em uma escala quântica.
A conexão da gravidade quântica é o que atraiu Maldacena, e mais tarde Jafferis, para a ideia ER = EPR, e para buracos de minhoca. A relação implícita entre túneis no espaço-tempo e o entrelaçamento quântico representada por ER = EPR ressoou com uma crença popular recente de que o espaço é essencialmente costurado na existência pelo entrelaçamento quântico. Parecia que os buracos de minhoca tinham um papel a desempenhar na costura do espaço-tempo e em deixar a informação dos buracos negros pegarem seu caminho no buraco de minhoca – mas como isso pode funcionar? Quando Jafferis ouviu Maldacena falar sobre sua equação enigmática e as provas para ela, ele estava ciente de que um buraco de minhoca ER padrão é instável e não transitável. Mas ele se perguntou o que a dualidade de Maldacena significaria para um buraco de minhoca transitável como os que Thorne e outros brinquei com décadas atrás. Três anos após a conversa na Coreia do Sul, Jafferis e seus colaboradores, Gao e Wall apresentou a sua resposta. O trabalho estende a ideia ER = EPR, não uma fenda espacial padrão e um par de partículas entrelaçadas, mas uma fenda espacial atravessável e teletransporte: um protocolo descoberto em 1993 que permite que um sistema quântico desapareça e reapareça ileso em outro lugar.
Quando Maldacena leu os artigos de Gao, Jafferis e Wall, “Eu vi isso como uma ideia muito boa”, disse ele. Maldacena e dois colaboradores, Douglas Stanford e Zhenbin Yang, imediatamente começaram a explorar as ramificações do novo buraco de minhoca para o paradoxo da informação do buraco negro; seu artigo foi lançado em abril. Susskind e Ying Zhao de Stanford seguiram com um artigo sobre teletransporte de buracos de minhoca em julho. O buraco de minhoca “dá uma imagem geométrica interessante de como a teletransporte acontece”, disse Maldacena. “A mensagem realmente passa pelo buraco de minhoca.”
O mergulho nos buracos de minhoca
Em seu artigo, “Diving Into Traversable Wormholes”, publicado em Fortschritte der Physik, Maldacena, Stanford e Yang consideram um novo tipo de buraco de minhoca que liga dois buracos negros: um buraco negro pai e um filho formado a partir da metade da radiação Hawking jogada pelo pai enquanto este evaporava. Os dois sistemas estão tão entrelaçados quanto possível. Aqui, o destino da informação do buraco negro mais velho é claro: ele pega o caminho através do buraco de minhoca até chegar ao buraco negro filho.
Durante uma entrevista este mês em seu escritório no IAS, Maldacena, uma reservado argentino-americano com um histórico de insights influentes, descreveu suas reflexões radicais. No lado direito de um quadro negro de giz empoeirado, Maldacena desenhou dois buracos negros conectados pelo novo buraco de minhoca transitável. À esquerda, ele esboçou um experimento de teletransporte quântico, realizado pelos famosos experimentadores fictícios Alice e Bob, que estão na posse partículas quânticas emaranhadas a e b, respectivamente. Digamos que Alice quer se teletransportar um qubit (bit quântico) q para Bob. Ela prepara um estado combinado de q e um, medições deste estado combinado (reduzindo-o a um par de bits clássicos, 1 ou 0), e envia o resultado desta medida para Bob. Ele pode então usar isso como uma chave para operar em b de uma forma que recria o estado q. voila, uma unidade de informação quântica teletransportou-se de um lugar para o outro.
Maldacena virou-se para o lado direito do quadro-negro. “Você pode fazer operações com um par de buracos negros que são moralmente equivalente ao que eu discuti [sobre teletransporte quântico]. E nesse quadro, esta mensagem realmente se passa pelo buraco de minhoca “.
Juan Maldacena, professor de física do Instituto de estudos avançados. Sasha Maslov for Quanta Magazine
Alice joga o qubit q no buraco negro A. Ela, então, mede uma partícula através de sua radiação Hawking, e transmite o resultado da medição através do universo externo para Bob, que pode usar esse conhecimento para operar em b, uma partícula Hawking vinda fora do buraco negro B. A operação de Bob reconstrói q, que parece saltar para fora de B, uma combinação perfeita para a partícula que caiu em A. É por isso que alguns físicos estão animados: o buraco de minhoca de Gao, Jafferis e Wall permite que informações sejam recuperadas a partir de buracos negros. Em seu estudo, eles montaram o seu buraco de minhoca em uma geometria espaço-tempo negativamente curva que muitas vezes serve como um playground útil, se irrealista, para os teóricos da gravidade quântica. No entanto, sua ideia do buraco de minhoca parece se estender para o mundo real enquanto dois buracos negros estiverem acoplados no caminho certo: “Eles devem estar causalmente conectados e, em seguida, a natureza da interação que tomamos é a coisa mais simples que você pode imaginar, ”Jafferis explicou. Se você permitir que a radiação Hawking de um dos buracos negros caia para o outro, os dois buracos negros se tornam emaranhados, e a informação quântica que cai em um pode sair do outro.
O formato do teletransporte quântico impede o uso desses buracos de minhoca transitáveis como máquinas do tempo. Qualquer coisa que passa pelo buraco de minhoca tem que esperar a mensagem de Alice viajar para Bob no universo antes que ele possa sair do buraco negro de Bob, de modo que o buraco de minhoca não oferece qualquer impulso superluminal (além da velocidade da luz) que pode ser explorado para viajar no tempo. Parece que buracos de minhoca transitáveis podem ser permitidos na natureza, desde que eles não ofereçam nenhuma vantagem de velocidade. “Buracos de minhoca transitáveis são como um empréstimo bancário”, escreveu Gao, Jafferis e Wall em seu artigo: “Você só pode obter um se você for rico o suficiente para não precisar dele.”
Um polvo ingênuo
Enquanto buracos de minhoca transitável não vai revolucionar as viagens espaciais, de acordo com Preskill a nova descoberta buraco de minhoca fornece “uma resolução promissora” para a pergunta do firewall do buraco negro, sugerindo que não há nenhum firewall em horizontes de eventos de buraco negro. Preskill disse a descoberta resgata o que chamamos de “complementaridade dos buracos negros”, o que significa que o interior e o exterior do buraco negro não são realmente dois sistemas diferentes, mas sim duas maneiras muito diferentes e complementares de observar para o mesmo sistema.” Se a complementaridade se detém, como é amplamente assumido, ao passar através de um horizonte de buraco negro de um reino para o outro, Ellie Arroway poderia não notar nada de diferente. Isto parece mais provável se, sob determinadas condições, ela poderia até mesmo deslizar todo o caminho através de um buraco de minhoca Gao-Jafferis-Wall.
O buraco de minhoca também salvaguarda a unitariedade – o princípio de que a informação nunca é perdida – pelo menos para os buracos negros emaranhados sendo estudado. O que quer que cai em um buraco negro, eventualmente, sai do outro como radiação Hawking, disse Preskill, o que “pode ser pensado como, em certo sentido uma cópia muito embaralhada do interior de um buraco negro.”
Levando os resultados à sua conclusão lógica, Preskill acha que deveria ser possível (pelo menos para uma civilização infinitamente avançada) influenciar o interior de um desses buracos negros, manipulando a sua radiação. Isto “parece louco”, ele escreveu em um e-mail, mas isso “pode fazer sentido se pudermos pensar na radiação, que está entrelaçada com o buraco negro – EPR – como sendo conectado ao interior buraco negro por um buraco de minhoca – ER. Desta forma, a radiação pode enviar uma mensagem que pode ser lida de dentro do buraco negro! Ele acrescentou: “nós ainda temos um caminho a percorrer antes que possamos concretizar esta imagem em mais detalhes.”
Na verdade, os obstáculos permanecem na busca para generalizar os novos resultados do buraco de minhoca e uma resposta final sobre o destino de todas as informações quânticas, ou o significado de ER = EPR.
No artigo de Maldacena e Susskind que apresentou a ideia do ER = EPR foi proposta, eles incluíram um esboço que se tornou conhecido como o “polvo”: um buraco negro com tentáculos – como buracos de minhoca levando partículas Hawking distantes que evaporaram para fora dele. Os autores explicaram que o esboço ilustra “o padrão de entrelaçamento entre o buraco negro e a radiação Hawking. Esperamos que este emaranhado conduza à geometria interior do buraco negro.”
Mas de acordo com Matt Visser, especialista em matemática e relatividade geral da Universidade Victoria de Wellington, na Nova Zelândia, que estudou buracos de minhoca desde os anos 1990, a leitura mais literal da imagem polvo não funciona. As gargantas de buracos negros formados a partir de partículas individuais Hawking seria tão fina que qubits nunca poderiam passar. “Uma fenda espacial (garganta) atravessável é ‘transparente’ apenas com pacotes de ondas com um tamanho menor do que o raio de garganta”, explicou Visser. “Pacotes de onda grandes irão simplesmente saltar para fora de qualquer garganta espacial pequena, sem atravessar para o outro lado.”
Um esboço conhecido como “tentáculo” que expressa a ideia ER = EPR.
Stanford, que co-escreveu o artigo recente com Maldacena e Yang, reconheceu que este é um problema com a interpretação mais simples da ideia ER = EPR, em que cada partícula de radiação Hawking tem seu próprio “buraco de minhoca tentáculo”. No entanto, uma interpretação mais especulativa do ER = EPR que ele e outros têm em mente não sofre essa falha. “A ideia é que, a fim de recuperar a informação a partir da radiação Hawking, deve-se usar este buraco de minhoca transitável”, disse Stanford, tem de “reunir a radiação de Hawking em conjunto e agir sobre ele de uma forma complicada.” Esta medição coletiva complicada revela informações sobre as partículas que caem nele; isto, disse ele, “criar um grande buraco de minhoca transitável fora dos tentáculos pequenos e inúteis do polvo. A informação seria então propagada através deste grande buraco de minhoca. ”Maldacena acrescentou que, simplesmente, a teoria da gravidade quântica pode ter uma noção nova, generalizada da geometria para a qual ER é igual a EPR. “Achamos que a gravidade quântica deve obedecer este princípio”, disse ele. “Nós a vemos mais como um guia para a teoria.”
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