Buracos negros agem como partículas e têm várias massas ao mesmo tempo

Geralmente pensamos nos buracos negros como objetos de proporções colossais que devoram o que estiver por perto. Isso é parcialmente verdade, mas eles também podem ter propriedades quânticas, ou seja, se comportar como partículas.

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De acordo com um novo estudo publicado na Physical Review Letters, os buracos negros podem apresentar uma superposição quântica. Em outras palavras, a capacidade de existir em vários estados ao mesmo tempo.

Um exemplo dessa propriedade são os elétrons. Eles estão ao redor do núcleo atômico, mas, ao contrário do que os livros às vezes ilustram, não orbitam como os planetas ao redor do Sol. Em vez disso, há uma nuvem de probabilidades.

Essa “nuvem” representa todos os lugares que o elétron pode ocupar no momento que o observarmos. Como são muitas probabilidades simultâneas, os cientistas chamam de superposição de estado, pois o elétron está em muitos lugares ao mesmo tempo.

Ainda assim, um elétron tem algumas restrições: eles só podem ocupar uma camada de valência (exceto quando absorvem ou liberam energia). No caso da superposição de massa, as restrições são muito menores; a massa pode estar em qualquer lugar dentro de uma determinada faixa.

As teorias por trás do estudo

Os autores do novo estudo desenvolveram uma estrutura matemática que descreve uma partícula do lado de fora de um buraco negro com superposição de massa. Eles usaram o modelo de buraco negro conhecido como Banados-Teitelboim-Zanelli (BTZ).

Este modelo de buraco negro é uma solução para as equações de Albert Einstein proposta pelo trio Máximo Bañados, Claudio Teitelboim e Jorge Zanelli, em 1992. Einstein (e muitos outros depois dele) usou uma constante cosmológica igual a zero para resolver as equações.

Mais tarde, em 1998, foi descoberto que a velocidade de expansão do universo estava aumentando, o que levou os cientistas a adotarem uma constante cosmológica de valor positivo. O problema é que nos dois casos (valor zero ou positivo), o resultado é um buraco negro sem horizonte de eventos.

Banados-Teitelboim-Zanelli fizeram diferente: eles usaram uma constante cosmológica negativa. Isso resultou em buracos negros com propriedades bem semelhantes às soluções de Schwarzschild e Kerr, que modelam buracos negros bem semelhantes aos que vemos no universo real, com rotação e presença de horizontes de eventos.

Pois bem, os autores escolheram para sua pesquisa buraco negro BTZ em uma superposição de massas e um modelo de detector conhecido como modelo Unruh-deWitt. Isso permite estudar as teorias da gravidade quântica, o “santo graal” da física teórica atual.

Buracos negros e gravidade quântica

O resultado foi o buraco negro ocupando faixas de massas diferentes simultaneamente. Em outras palavras, um estado de superposição de massa. Além disso, a superposição tende a favorecer algumas medidas de massa em detrimento de outras — mais ou menos como acontece com os elétrons nas camadas de valência.

Isso significa que, além da superposição, os cientistas encontraram um padrão de probabilidades que pode ser útil para modelar a massa de um buraco negro de maneira quantizada.

Como dito anteriormente, os modelos usados no estudo são ótimos “laboratórios” para a pesquisa da gravidade quântica — o “elo perdido” que pode unificar a relatividade geral e a mecânica quântica. Assim, os resultados são uma ótima notícia, pois demonstram comportamentos quânticos em um objeto extremo do universo macroscópico.

As teorias da gravidade quântica tentam encontrar um espaço-tempo que possa ser descrito em quantidades discretas, como as partículas. As probabilidades discretas de massas neste experimento podem ser um grande indício de que os cientistas estão no caminho certo.

Fonte: Physical Review Letters; via: University of Queensland