Buracos negros crescem para dentro, segundo "pai" da Teoria das Cordas

Os buracos negros podem ser simples de explicar — são objetos de densidade que tende ao infinito, onde a gravidade prende até mesmo as partículas da luz —, mas a existência deles implica em problemas que as maiores mentes teóricas do mundo estão queimando neurônios para entender. Uma delas é sobre a relação entre o volume e a informação dos buracos negros, mas há um conjunto de ideias que talvez solucionem o mistério.

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Leonard Susskind, da Universidade de Stanford, é um desses físicos teóricos brilhantes do nosso tempo. Ele ficou conhecido como um dos pais da teoria das cordas, foi o primeiro a fornecer uma interpretação precisa do princípio holográfico e também é um pesquisador da teoria quântica de campos. Embora sejam consideradas teorias por funcionarem bem como um sistema em si próprio, essas ideias ainda não puderam ser comprovadas por observação.

A teoria das cordas e o princípio holográfico não foram criados para explicar buracos negros, mas podem ser usados para isso. Afinal, são teorias que buscam conciliar a observação do universo em grande escala — explicada pela Relatividade Geral de Einstein — e em escala sub-atômica — explicada pela mecânica quântica. E muitos cientistas enxergam os buracos negros como a “chave” para resolver a incompatibilidade entre essas duas ciências até então inconciliáveis.

Os problemas dos buracos negros

Mas vamos retroceder um pouco para entender quais são os problemas com buracos negros. Esses objetos consomem qualquer coisa que se aproxime do horizonte e eventos — o ponto de não retorno —, mas por que eles não continuam se expandindo à medida que devoram matéria, até ficarem grandes o suficiente para engolir suas galáxias e o universo?

Este é um paradoxo tão fascinante quanto o famoso paradoxo da informação, trazido por Stephen Hawking (se você estiver familiarizado com isso, pode avançar para o próximo tópico). Ele descobriu que buracos negros têm temperatura e emitem calor, ou seja, radiação. Com essa percepção, propôs que qual buracos negros provavelmente perdem energia e, com isso, massa, o que implica em um destino inevitável: um dia, quando não houver mais matéria para consumir, eles irão apenas evaporar até desaparecer. Mas se isso for verdade, o que acontece com a informação?

Por “informação”, os físicos estão se referindo ao conjunto de configurações que as partículas sub-atômicas podem apresentar quando estão na forma de objetos que sofreram transformações. Por exemplo: uma folha de papel foi fabricada a partir de fibras de celulose, que por sua vez vieram das moléculas e partículas extraídas do solo e da atmosfera. Se retrocedermos até momentos após o Big Bang, saberemos todas as transformações que levaram as partículas daquele universo inicial até se tornarem uma folha de papel. Os cientistas chamam isso de entropia.

Na entropia, a informação — modo como as partículas sub-atômica estão organizadas — pode apenas se tornar mais complexa, nunca mais simples. É por isso que a matéria no universo volta ao seu estado anterior. Os cientistas chamam essa complexidade crescente de aumento da entropia. Essa é uma lei inviolável, mas os buracos negros desafiam essas regras, porque, teoricamente, eles destroem a matéria que engolem, reduzindo suas partículas ao estado mais fundamental. Isso significa perda da informação e contraria a entropia. A não ser que pensemos em outros mecanismos para o funcionamento dos buracos negros.

Stephen Hawking passou o resto de sua vida tentando resolver o paradoxo da informação. No ano de sua morte (2018), ele trabalhava em um artigo com seus colegas na tentativa de encontrar uma solução, mas não teve a oportunidade de ver o trabalho concluído. A equipe propôs que a informação é guardada na superfície do buraco negro, algo que eles apelidaram de “soft hair”, mas a explicação não convenceu a comunidade científica.

Informação enviada para dentro

No mesmo ano, Susskind já havia ministrado aulas, compartilhadas através uma série de artigos e compiladas em um livro. Sua ideia parece inversa do soft hair: para ele, os buracos negros crescem para dentro, e não para fora. Isso é o oposto dos demais objetos. Por exemplo, o Sol: se objetos caírem por lá, a estrela ganhará volume, ou seja, aumentará de tamanho. Mas isso talvez não ocorra com buracos negros, caso eles cresçam para dentro.

Pensemos na analogia da folha de borracha lisa para explicar a gravidade. Assim como um objeto pesado faz ondulações, a massa distorce a geometria do espaço-tempo, fazendo com que outros corpos sejam desviados por essa distorção. Se esse objeto pesado ganhar massa, ele aumenta de tamanho, e distorce ainda mais o espaço-tempo. Mas isso significa que essa distorção pode formar um funil profundo que se estende "para baixo" sem esticar muito "para fora".

É aí que a Relatividade Geral deixa de ser útil e temos que recorrer à mecânica quântica. E isso é um problema, pois fica em maior evidência a incompatibilidade entre as duas teorias. A singularidade — o ponto no centro do buraco negro que está sempre no futuro e tem densidade infinita — obriga os físicos a buscar algo que permitiria compreender as distorções do espaço-tempo em massas finitas e partículas mediadoras de força (elementos próprios da mecânica quântica).

Um concorrente para conciliar as duas coisas é algo chamado anti-de Sitter, uma hipótese ligada à Teoria das Cordas e que trabalha com a possibilidade de haver dimensões além das quatro que já conhecemos (sendo o tempo a quarta). Com base nessa estrutura, a complexidade quântica (entropia) de um buraco negro é refletida em seu volume, e não em “soft hair”, como propôs a equipe de Hawking.

Em outras palavras, o que muda é o número de cálculos que seriam necessários para recuperar o estado quântico inicial do buraco negro, no momento em que ele se formou. À medida que as partículas dentro dele interagem umas com as outras, as informações sobre seu estado inicial tornam-se cada vez mais embaralhadas. Por isso, sua complexidade cresce continuamente, seguindo as leis da entropia.

Em última análise, o modelo de anti-de Sitter de Susskind sugere que a complexidade quântica de um buraco negro não só está relacionada com seu volume, como também é diretamente responsável por ele. Isso pode trazer uma série de implicações que outros teóricos podem explorar à vontade, incluindo na cosmologia. Susskind nos lembra que “não são apenas os interiores de buracos negros que crescem com o tempo. O espaço da cosmologia cresce com o tempo”.

Claro, essas são apenas hipóteses que, embora funcionem na matemática, podem não corresponder à realidade. No entanto, é uma reflexão fascinante, pois significa que, talvez, o crescimento cosmológico do próprio espaço esteja conectado ao crescimento de algum tipo de complexidade. Por isso, Susskind questiona “se o relógio cósmico, a evolução do universo, está conectado com a evolução da complexidade”. A resposta, ele ainda não tem.

Fonte: ScienceAlert, The Atlantic