Parece poético que tenha cabido a Stephen Hawking, um físico cuja vida parecia destinada a ser interrompida a qualquer momento, demonstrar que nada neste Universo é para sempre — nem mesmo os misteriosos buracos negros.

Até Hawking começar a estudá-los, parecia que eles só podiam ter um destino — crescer e crescer, sem parar, conforme mais matéria caísse em seu interior, até que nada restasse do lado de fora.

Afinal de contas, a definição clássica de buraco negro é a de um objeto tão denso, com tamanha gravidade, que, uma vez que tenha se aproximado demais dele, nada poderia escapar — nem mesmo a luz viajando a 300 mil km/s, a velocidade máxima permitida no Universo. Daí o nome popular desses objetos.

No começo do século passado, praticamente todos os cientistas achavam que buracos negros eram apenas uma curiosidade teórica, mas não existiam na realidade. Até mesmo Albert Einstein, o físico que criou a teoria que permitiu descrever os buracos negros, a famosa relatividade geral, achava que tudo não passava de um cenário hipotético.

Afinal, como seria possível comprimir tanta matéria numa região tão pequena (algo como pegar o planeta Terra e colocar toda sua massa num espaço do tamanho da cabeça de um alfinete)?

Ocorre que, conforme fomos aprendemos mais sobre as leis que governam as entranhas da matéria, descobrimos que esse cenário cataclísmico não só era possível como era inevitável para estrelas de alta massa, bem maiores que o Sol.

Estrelas são bolas de gás mantidas estáveis num delicado equilíbrio: sua gravidade imensa quer esmagá-las, enquanto a fusão nuclear que realizam em seu interior quer inflá-las. O processo de fusão começa colando núcleos atômicos de hidrogênio, os mais simples que existem, com um único próton, e formando hélio, com dois prótons.

Uma vez esgotado o hidrogênio, a estrela passa a fundir hélio, e vai formando elementos cada vez mais pesados: oxigênio, carbono, fósforo, nitrogênio, cálcio, enxofre, e por aí vai. Esses elementos que existem hoje no seu corpo um dia foram fabricados na fornalha de um objeto estelar — daí a famosa frase de Carl Sagan, “somos todos poeira de estrelas”.

Ocorre que a coisa vai bem até chegar ao ferro. E aí, para continuar o processo de fusão, é preciso mais energia do que a estrela pode gerar. É como se ela fosse à falência — gasta mais do que ganha e precisa fechar as portas. Só que o processo não é nada suave. Sem algo para se contrapor à gravidade, que quer comprimir, o núcleo da estrela é esmagado sobre si mesmo.

A implosão tem um efeito rebote que ejeta suas camadas superiores, como uma supernova. E o que resta é esmagado pela gravidade sem qualquer trava — não há força conhecida na natureza que consiga impedir o completo esmagamento de um núcleo estelar morto com cerca de cinco vezes a massa do Sol. Por tudo que sabemos, baseados na teoria da relatividade geral, a matéria será comprimida num ponto infinitamente pequeno e denso, o que os físicos chamam de singularidade.

Ao redor dela, pode-se imaginar uma fronteira imaginária que indica a distância mínima a que qualquer coisa pode se aproximar antes que inevitavelmente caia — sem chance de escapatória — na singularidade. Esse é o chamado horizonte dos eventos. Como diria o comentarista esportivo, a regra é clara: se você está fora do horizonte dos eventos, ainda tem chance de escapar; se está dentro, babau. Caminho sem volta.

A grande sacada de Hawking, na década de 1970, foi levar em conta que não daria para estudar buracos negros só com base na relatividade geral. Haveria de se levar em conta efeitos quânticos para entender qual era a deles. Daí nasceu a noção de que eles não são totalmente negros — eles emitem radiação e, em vez de simplesmente serem um buraco sem fundo, evaporam com o passar de éons.

NO MAR DAS PARTÍCULAS VIRTUAIS
A mecânica quântica apresenta muitos fatos aparentemente estapafúrdios a respeito do mundo em que vivemos — e no entanto sabemos hoje que eles são realidade confirmada. De todos esses, o que nos interessa aqui especificamente é o fato de que a natureza, em seu plano mais fundamental, é probabilística, não determinística. Isso em essência sugere que o vácuo não é vácuo, ele está vácuo — mas tem uma probabilidade não nula de ser alguma coisa, algo que, a julgar pela mecânica quântica, precisa se manifestar.

O que significa dizer que o vácuo de vez em quando converte sua energia em pares de partículas virtuais, que existem por um fugidio instante e se aniquilam em seguida, desaparecendo e assim restaurando a energia média do vácuo, que por convenção (e talvez bom senso) tratamos como “zero”. Quando uma pequena região do vácuo gera um par de partículas virtuais, fica por um instante com energia negativa; quando elas se aniquilam, o vácuo retorna ao zero. E você que achava que não podia emprestar dinheiro de quem não tem.

Pois bem, a mecânica quântica diz que o vácuo é na verdade esse mar de partículas virtuais que aparecem e desaparecem o tempo todo — um efeito que, a rigor, podemos desprezar, salvo por circunstâncias muito especiais. Hawking concluiu que uma dessas circunstâncias seria a região do horizonte dos eventos de um buraco negro.

Em 1974, o físico britânico se propôs a tentar fazer uma combinação da mecânica quântica com a relatividade geral — duas teorias que, formalmente, são incompatíveis entre si — para entender o que acontece nessa fronteira matemática dos buracos negros.

Imagine você que um par de partículas virtuais nasce do nada bem em cima do horizonte dos eventos de um buraco negro. Se ambas nascerem do lado de dentro do horizonte, tudo bem, elas se aniquilam lá dentro e a energia total volta a zero, como o bom e velho vácuo. Se ambas nascerem do lado de fora, mesma coisa: uma fração de segundo e elas se reencontram, voltando ao vazio de onde vieram. Mas e se, — Hawking se perguntou –, e se uma nasce do lado de dentro e a outra do lado de fora?

Lembre-se: pela relatividade geral, o que está dentro não volta mais, o que está fora pode escapar. Temos aí uma situação em que as partículas virtuais não podem se reencontrar para se aniquilarem mutuamente. Uma delas é convertida de partícula virtual a partícula real e foge do buraco, contendo energia positiva — acima de zero.

Agora, o drama é que o Universo é o contabilista definitivo: a lei da conservação de energia diz que se você antes tinha zero e agora tem energia positiva de um lado, terá de ter energia negativa do outro lado para equilibrar as coisas. Ou seja, a região interna ao horizonte dos eventos do buraco negro perde energia! Moral da história: para todos os efeitos práticos, o buraco negro emite radiação e, com isso, vai perdendo energia.

Essa suave torrente de partículas virtuais-tornadas-reais é o que se convencionou chamar de radiação Hawking — uma justa homenagem a seu proponente, que apresentou a ideia em um artigo na Nature. De acordo com os cálculos, essa radiação térmica seria muito, muito sutil — indetectável a não ser que você conseguisse chegar bem perto de um buraco negro, o que soa de todo modo como uma péssima ideia, mesmo que pudéssemos ir até um (dica: com a tecnologia atual, não podemos). Mas a conclusão inescapável é que essa radiação acabaria fazendo com que os buracos negros perdessem toda a sua energia e evaporassem por completo, depois de trilhões de anos. Só que isso traz também uma grande dor de cabeça para os físicos.

O PARADOXO DA INFORMAÇÃO
Ao fazer sua maior descoberta, Hawking também trouxe consigo uma situação insolúvel para o atual estado das teorias da relatividade geral e da mecânica quântica. A primeira diz que nada pode escapar dos buracos negros uma vez que o horizonte dos eventos seja cruzado, e a segunda diz que o Universo também é um ótimo contabilista no que se refere à informação quântica codificada nas partículas — essas informações, em princípio, seriam indestrutíveis.

Enquanto os buracos negros eram vistos como objetos de existência indefinida que só cresciam, o problema não era grave; toda informação que caísse nos buracos negros ficaria simplesmente presa lá, de algum modo ainda não compreendido, mas jamais deixaria de existir, mantendo a contabilidade geral do Universo intacta.

A coisa se complica quando determinamos que os buracos negros perdem energia e no fim das contas evaporam, como sugeriu Hawking. Se o buraco negro se dissipa, a informação que entrou precisa sair, caso a mecânica quântica queira estar certa. Mas, se a relatividade geral estiver certa, nada pode sair do horizonte dos eventos para contar a história. Eis o paradoxo, e algum dos dois grandes pilares da física moderna vai ter de ceder.

Este é um problema com que o físico britânico duelou por décadas. Nem ele, nem mais ninguém até agora apresentou uma solução satisfatória, capaz de convencer a todo mundo. Hawking de início era #teamrelatividade e apostava que a informação podia, sim, ser destruída e perdida dentro de um buraco negro. Ele chegou a fazer uma aposta com o físico John Preskill, em 1997, nessa direção.

Em 2004, Hawking mudou de ideia e apresentou um trabalho que tentava argumentar que perturbações quânticas no horizonte dos eventos de um buraco negro permitiriam que informações saíssem de lá, resolvendo o paradoxo. Mas a matemática necessária para demonstrar conclusivamente isso jamais se materializou, e não há físico que tenha considerado o problema resolvido (exceto o próprio Hawking, que pagou a aposta a Preskill e enviou ao colega uma enciclopédia de beisebol “de onde informação pode ser extraída à vontade”).

Pode parecer um problema menor, mas não é. Encontrar o ponto de contato entre a relatividade geral e a mecânica quântica não só é a chave para compreender os buracos negros, mas também descobrir os segredos mais íntimos da origem do Universo — Hawking nunca escondeu que esse sempre foi seu maior objetivo.

Ocorre que o Big Bang, conforme descrito pela relatividade geral, é quase como um colapso de buraco negro pelo avesso. Ele é uma singularidade que se expandiu para gerar um Universo rico em matéria e energia, enquanto um buraco negro é um pedaço do Universo particularmente rico em matéria e energia que se comprimiu até virar uma singularidade.

Entender o que acontece com a informação num buraco negro pode ser a chave para entender qual é a da singularidade lá dentro, e como ela pode ser reinterpretada à luz da mecânica quântica para que possamos compreendê-la. E, se entendermos o que acontece no interior de um buraco negro, sacar como o nosso Universo nasceu pode muito bem ser um-dois. (Há até quem diga que estamos falando exatamente da mesma coisa nos dois casos; o físico Lee Smolin é um dos que sugerem que cada buraco negro dá origem a um novo universo.)

Seja como for, ao explorar os limites da intersecção entre a mecânica quântica e a relatividade geral, Hawking colocou a física num outro patamar de investigação a respeito dos limites de seus paradigmas atuais. Modestamente, Isaac Newton certa vez escreveu que, se pôde enxergar mais longe, é porque estava em pé sobre os ombros de gigantes.

Pode levar um bom tempo ainda, mas quem quer que resolva os mistérios remanescentes sobre os buracos negros, e quiçá a origem do Universo, certamente já está assentado sobre os ombros frágeis do gigante Stephen Hawking.

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