p O físico matemático e cosmologista Stephen Hawking era mais conhecido por seu trabalho explorando a relação entre os buracos negros e a física quântica. Um buraco negro é o resto de uma estrela supermassiva moribunda que caiu dentro de si mesma; esses remanescentes se contraem a um tamanho tão pequeno que a gravidade é tão forte que nem mesmo a luz consegue escapar deles. Os buracos negros aparecem no imaginário popular - os alunos ponderam por que o universo inteiro não desmorona em um só. Mas o trabalho teórico cuidadoso de Hawking preencheu algumas das lacunas no conhecimento dos físicos sobre os buracos negros. p Por que existem buracos negros?

p A resposta curta é:como a gravidade existe, e a velocidade da luz não é infinita.

p Imagine que você está na superfície da Terra, e disparar uma bala para o ar em ângulo. Seu marcador padrão voltará para baixo, em algum lugar mais distante. Suponha que você tenha um rifle muito poderoso. Então você pode ser capaz de disparar a bala a uma velocidade que, ao invés de descer para longe, em vez disso, "sentirá falta" da Terra. Continuamente caindo, e continuamente perdendo a superfície, a bala estará na verdade em uma órbita ao redor da Terra. Se o seu rifle é ainda mais forte, a bala pode ser tão rápida que sai completamente da gravidade da Terra. Isso é essencialmente o que acontece quando enviamos foguetes para Marte, por exemplo.

p Agora imagine que a gravidade é muito, Muito mais forte. Nenhum rifle poderia acelerar balas o suficiente para deixar aquele planeta, então, em vez disso, você decide atirar luz. Embora os fótons (as partículas de luz) não tenham massa, eles ainda são influenciados pela gravidade, dobrando seu caminho assim como a trajetória de uma bala é dobrada pela gravidade. Mesmo o mais pesado dos planetas não terá gravidade forte o suficiente para dobrar o caminho do fóton o suficiente para impedi-lo de escapar.

p Mas os buracos negros não são como planetas ou estrelas, eles são os restos de estrelas, embalado na menor das esferas, dizer, apenas alguns quilômetros de raio. Imagine que você pudesse estar na superfície de um buraco negro, armado com sua arma de raios. Você atira para cima em um ângulo e percebe que o raio de luz ao invés disso se curva, desce e perde a superfície! Agora o raio está em uma "órbita" ao redor do buraco negro, a uma distância aproximadamente o que os cosmologistas chamam de raio de Schwarzschild, O ponto de não retorno."

p Assim, como nem mesmo a luz pode escapar de onde você está, o objeto em que você habita (se pudesse) pareceria completamente negro para alguém que o visse de longe:um buraco negro.

p Mas Hawking descobriu que os buracos negros não são completamente negros?

p A resposta curta é sim.

p Minha descrição anterior de buracos negros usava a linguagem da física clássica - basicamente, Teoria de Newton aplicada à luz. Mas as leis da física são na verdade mais complicadas porque o universo é mais complicado.

p Na física clássica, a palavra "vácuo" significa a ausência total e completa de qualquer forma de matéria ou radiação. Mas na física quântica, o vácuo é muito mais interessante, em particular quando está perto de um buraco negro. Em vez de estar vazio, o vácuo está repleto de pares partícula-antipartícula que são criados fugazmente pela energia do vácuo, mas devem se aniquilar logo depois e devolver sua energia ao vácuo.

p Você encontrará todos os tipos de pares partícula-antipartícula produzidos, mas os mais pesados ​​ocorrem muito mais raramente. É mais fácil produzir pares de fótons porque eles não têm massa. Os fótons devem sempre ser produzidos em pares para que se afastem um do outro e não violem a lei da conservação do momento.

p Agora imagine que um par é criado exatamente naquela distância do centro do buraco negro onde o "último raio de luz" está circulando:o raio de Schwarzschild. Essa distância pode estar longe da superfície ou perto, dependendo de quanta massa o buraco negro tem. E imagine que o par de fótons é criado de modo que um dos dois está apontando para dentro - em sua direção, no centro do buraco negro, segurando sua arma de raios. O outro fóton está apontando para fora. (A propósito, você provavelmente seria esmagado pela gravidade se tentasse esta manobra, mas vamos supor que você seja sobre-humano.)

p Agora há um problema:o único fóton que se moveu para dentro do buraco negro não pode voltar para fora, porque já está se movendo na velocidade da luz. O par de fótons não pode se aniquilar novamente e devolver sua energia ao vácuo que cerca o buraco negro. Mas alguém deve pagar o flautista e este terá que ser o próprio buraco negro. Depois de receber o fóton em sua terra sem retorno, o buraco negro deve devolver parte de sua massa ao universo:a mesma quantidade exata de massa que a energia que o par de fótons "emprestou, "de acordo com a famosa igualdade de Einstein E =mc².

p Isso é essencialmente o que Hawking mostrou matematicamente. O fóton que está deixando o horizonte do buraco negro fará com que pareça que o buraco negro tinha um brilho fraco:a radiação Hawking com o seu nome. Ao mesmo tempo, ele raciocinou que se isso acontecer muito, por muito tempo, o buraco negro pode perder tanta massa que pode desaparecer completamente (ou mais precisamente, torne-se visível novamente).

p Os buracos negros fazem a informação desaparecer para sempre?

p Resposta curta:Não, isso seria contra a lei.

p Muitos físicos começaram a se preocupar com essa questão logo após a descoberta do brilho por Hawking. A preocupação é esta:as leis fundamentais da física garantem que todo processo que acontece "avance no tempo, "também pode acontecer" para trás no tempo ".

p Isso parece contrário à nossa intuição, onde um melão que espirrou no chão nunca se recomporia magicamente. Mas o que acontece com objetos grandes como melões é realmente ditado pelas leis da estatística. Para o melão se recompor, muitos zilhões de partículas atômicas teriam que fazer a mesma coisa ao contrário, e a probabilidade disso é essencialmente zero. Mas, para uma única partícula, isso não é problema algum. Então, para coisas atômicas, tudo o que você observa à frente pode provavelmente ocorrer ao contrário.

p Agora imagine que você atira um dos dois fótons no buraco negro. Eles diferem apenas por um marcador que podemos medir, mas isso não afeta a energia do fóton (isso é chamado de "polarização"). Vamos chamá-los de "fótons esquerdos" ou "fótons direitos". Depois que o fóton esquerdo ou direito cruza o horizonte, o buraco negro muda (agora tem mais energia), mas muda da mesma maneira se o fóton esquerdo ou direito foi absorvido.

p Duas histórias diferentes agora se tornaram um futuro, e tal futuro não pode ser revertido:como as leis da física saberiam qual dos dois passados ​​escolher? Esquerda ou direita? Essa é a violação da invariância de reversão do tempo. A lei exige que todo passado deve ter exatamente um futuro, e todo futuro exatamente um passado.

p Alguns físicos pensaram que talvez a radiação Hawking carregue uma impressão de esquerda / direita, de modo a dar a um observador externo uma dica do que foi o passado, mas não. A radiação Hawking vem daquele vácuo oscilante em torno do buraco negro, e não tem nada a ver com o que você joga. Tudo parece perdido, mas não tão rápido.

p Em 1917, Albert Einstein mostrou que a matéria (mesmo o vácuo próximo à matéria) realmente reage às coisas que chegam, de uma forma muito peculiar. O vácuo próximo a essa matéria é "estimulado" para produzir um par partícula-antipartícula que se parece com uma cópia exata do que acabou de entrar. Em um sentido muito real, a partícula que chega estimula a matéria a criar um par de cópias de si mesma - na verdade, uma cópia e uma anticópia. Lembrar, pares aleatórios de partícula e antipartícula são criados no vácuo o tempo todo, mas os pares que fazem cócegas não são aleatórios:eles se parecem com o que faz cócegas.

p Esse processo de cópia é conhecido como efeito de "emissão estimulada" e está na origem de todos os lasers. O brilho Hawking dos buracos negros, por outro lado, é exatamente o que Einstein chamou de efeito de "emissão espontânea", ocorrendo perto de um buraco negro.

p Agora imagine que as cócegas criam esta cópia, para que o fóton esquerdo faça cócegas em um par de fótons esquerdo, e um fóton direito dá um par de fótons certo. Uma vez que um parceiro dos pares com cócegas deve ficar fora do buraco negro (novamente a partir da conservação do momento), essa partícula cria a "memória" necessária para que a informação seja preservada:um passado tem apenas um futuro, o tempo pode ser revertido, e as leis da física são seguras.

p Em um acidente cósmico, Hawking morreu no aniversário de Einstein, cuja teoria da luz, simplesmente acontece, salva a teoria dos buracos negros de Hawking. p Este artigo foi publicado originalmente em The Conversation. Leia o artigo original.