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Buracos de minhoca são a resposta para o problema deixado por Stephen Hawking?

Por| Editado por Patricia Gnipper | 10 de Março de 2022 às 08h00

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M. A. Garlick/Wikipedia Creative Commons
M. A. Garlick/Wikipedia Creative Commons

Os buracos de minhoca poderiam ser a solução para um problema chamado “paradoxo da perda de informação”. Proposto por Stephen Hawking em 1975, o paradoxo se tornou uma das questões mais importantes da física, por isso um novo estudo propõe um objeto hipotético para resolver o problema.

Populares entre os fãs da ficção científica, os buracos de minhoca são uma espécie de atalho de um ponto do espaço-tempo para outro. Se encontrássemos um agora, poderíamos viajar para outra galáxia em poucos segundos.

Na Teoria da Relatividade Geral de Albert Einstein, os buracos de minhoca são possíveis, embora ninguém tenha encontrado algum deles. De certa forma, funcionariam mais ou menos como os próprios buracos negros, já que ambos são pontos de gravidade que distorcem o espaço-tempo.

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Apesar de hipotéticos, os buracos de minhoca poderiam ajudar a explicar o paradoxo da perda de informação. Mas, para entender como isso acontece, os cientistas ainda precisam de uma nova teoria capaz de unificar a Relatividade Geral e a mecânica quântica — ou seja, precisam da teoria de tudo.

O paradoxo da perda de informação

Em 1975, Stephen Hawking mostrou que, ao contrário do que os cientistas pensavam, os buracos negros podem, sim, emitir radiação (conhecida como Radiação Hawking), e eles fazem isso enquanto evaporam. Ele chegou a essa conclusão após calcular as propriedades de um buraco negro considerando a mecânica quântica (as leis que governam o reino das partículas).

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Nesses mesmos estudos, Hawking trabalhava com o físico Jacob David Bekenstein na relação entre buracos negros e a termodinâmica quântica, que lida com uma grandeza chamada entropia. Essa grandeza diz quanta informação um sistema quântico carrega, isto é, as propriedades variáveis das partículas do sistema.

Por exemplo, os átomos de uma pequena nuvem de hidrogênio terão alguns parâmetros que descrevem o estado desse aglomerado de partículas. Esses parâmetros incluem spin, (orientação), massa e carga elétrica de cada partícula sub-atômica (prótons, nêutrons, elétrons, quarks).

Na termodinâmica quântica, a informação nunca se perde; isso significa que podemos analisar o grau de entropia da nuvem de hidrogênio para tentar descobrir por quais alterações ela passou para chegar naquele estado. Mas quando isso é aplicado aos buracos negros, as coisas não parecem tão simples.

Suponhamos que temos um buraco negro recém-formado, de massa M, que jamais engoliu nenhum tipo de matéria. Agora, digamos que o alimentamos com uma nuvem de hidrogênio em estado quântico “puro”. De acordo com a Relatividade Geral, o hidrogênio não pode escapar do horizonte de eventos do buraco negro, e ficará preso lá para sempre.

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Entretanto, o buraco negro deve evaporar lentamente, conforme Hawking demonstrou, até voltar à sua massa M inicial. E aí reside o problema: para onde vai a informação dos átomos de hidrogênio?

O que tínhamos no início deste experimento mental é um estado quântico puro e um buraco negro de massa M, e no final ficamos com um sistema térmico e um buraco negro de massa M. No meio do processo, alguma coisa aparentemente converteu o estado puro do hidrogênio em um estado térmico. Porém, para essa transformação, deve-se jogar fora a informação.

Em nosso exemplo, pegamos um estado descrito por um grande conjunto de números e o transformamos (ou melhor, o buraco negro o transformou) em um estado descrito pela temperatura — um número. Toda a outra estrutura do estado inicial foi perdida na transformação.

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Lembra que mencionamos uma radiação liberada pelo buraco negro enquanto ele evapora? Será que a informação estaria ali? Dificilmente. Os cálculos mostram que essa radiação não contém informação alguma sobre o conteúdo interno do buraco negro. Isso contraria um dos maiores fundamentos da física quântica: a informação nunca se perde no universo.

Buracos de minhoca resolvem o problema?

Quando os físicos combinam a mecânica quântica com a descrição padrão de um buraco negro na Relatividade Geral, a entropia cresce continuamente à medida que o buraco negro encolhe, indicando que a informação é perdida.

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Em seu novo trabalho, Kanato Goto, do RIKEN Interdisciplinary Theoretical and Mathematical Sciences, propõe que buracos de minhoca poderiam “transportar” essa informação que parecia perdida.

A ideia não é exatamente nova. Recentemente, alguns físicos exploraram como os buracos negros poderiam funcionar também “ao avesso”, imitando os buracos de minhoca e fornecendo uma rota de fuga para informações.

Bem, não se trata de um buraco de minhoca real, como os das ficções científicas, mas uma maneira de calcular matematicamente a entropia da radiação. “Um buraco de minhoca conecta o interior do buraco negro e a radiação externa, como uma ponte”, explica Goto.

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Com seus dois colegas de estudo, Goto realizou uma análise detalhada de um buraco de minhoca, e obteve um resultado que sugere uma preservação da informação mesmo após a evaporação completa do buraco negro. “Descobrimos uma nova geometria do espaço-tempo com uma estrutura semelhante a um buraco de minhoca que havia sido negligenciada em cálculos convencionais”.

Usando essa nova geometria — o espaço-tempo na Relatividade Geral permite obter geometrias matemáticas estranhas no espaço-tempo —, os autores concluíram que “a entropia calculada dá um resultado completamente diferente”.

Esse, claro, não é o final da história. Ainda há novas questões para investigar, como o próprio o mecanismo básico de como a informação é transportada pela radiação do buraco negro que evapora. Para isso, “precisamos de uma teoria da gravidade quântica”, conclui Goto.

Fonte: RIKEN