Nossos primeiros vislumbres da física que existe perto do centro de um buraco negro estão sendo possíveis usando a "gravidade quântica em loop" - uma teoria que usa a mecânica quântica para estender a física gravitacional para além da teoria da relatividade geral de Einstein. Gravidade quântica de loop, originado em Penn State e posteriormente desenvolvido por um grande número de cientistas em todo o mundo, está abrindo um novo paradigma na física moderna. A teoria surgiu como uma das principais candidatas para analisar fenômenos cosmológicos e astrofísicos extremos em partes do universo, como buracos negros, onde as equações da relatividade geral deixam de ser úteis.

Trabalhos anteriores sobre gravidade quântica em loop que foram altamente influentes no campo analisaram a natureza quântica do Big Bang, e agora dois novos artigos de Abhay Ashtekar e Javier Olmedo da Penn State e Parampreet Singh da Louisiana State University estendem esses resultados para interiores de buracos negros. Os artigos aparecem como "sugestões dos editores" nas revistas Cartas de revisão física e revisão física em 10 de dezembro, 2018 e também foram destaque em artigo da Viewpoint na revista Física .

"A melhor teoria da gravidade que temos hoje é a relatividade geral, mas tem limitações, "disse Ashtekar, Evan Pugh Professor de Física, titular da cadeira Eberly Family em Física, e diretor do Penn State Institute for Gravitation and the Cosmos. "Por exemplo, a relatividade geral prediz que há lugares no universo onde a gravidade se torna infinita e o espaço-tempo simplesmente termina. Referimo-nos a esses lugares como 'singularidades'. Mas mesmo Einstein concordou que essa limitação da relatividade geral resulta do fato de que ela ignora a mecânica quântica. "

No centro de um buraco negro, a gravidade é tão forte que, de acordo com a relatividade geral, o espaço-tempo torna-se tão extremamente curvo que, em última análise, a curvatura se torna infinita. Isso resulta em espaço-tempo com uma borda recortada, além do qual a física não existe mais - a singularidade. Outro exemplo de singularidade é o Big Bang. Perguntar o que aconteceu antes do Big Bang é uma questão sem sentido na relatividade geral, porque o espaço-tempo acaba, e não há antes. Mas as modificações nas equações de Einstein que incorporaram a mecânica quântica por meio da gravidade quântica em loop permitiram aos pesquisadores estender a física além do Big Bang e fazer novas previsões. Os dois artigos recentes realizaram a mesma coisa para a singularidade do buraco negro.

"A base da gravidade quântica em loop é a descoberta de Einstein de que a geometria do espaço-tempo não é apenas um estágio no qual eventos cosmológicos são representados, mas é em si uma entidade física que pode ser dobrada, "disse Ashtekar." Como uma entidade física, a geometria do espaço-tempo é composta de algumas unidades fundamentais, assim como a matéria é composta de átomos. Essas unidades de geometria - chamadas de 'excitações quânticas' - são ordens de magnitude menores do que podemos detectar com a tecnologia de hoje, mas temos equações quânticas precisas que predizem seu comportamento, e um dos melhores lugares para procurar seus efeitos é no centro de um buraco negro. "De acordo com a relatividade geral, no centro de um buraco negro a gravidade se torna infinita, então tudo que entra, incluindo as informações necessárias para cálculos físicos, está perdido. Isso leva ao célebre 'paradoxo da informação' com o qual os físicos teóricos vêm se debatendo há mais de 40 anos. Contudo, as correções quânticas da gravidade quântica em loop permitem uma força repulsiva que pode superar até mesmo a atração mais forte da gravidade clássica e, portanto, a física pode continuar a existir. Isso abre um caminho para mostrar em detalhes que não há perda de informações no centro de um buraco negro, que os pesquisadores agora estão perseguindo.

Interessantemente, mesmo que a gravidade quântica em loop continue a funcionar onde a relatividade geral se desfaz - singularidades de buracos negros, o Big Bang - suas previsões correspondem às da relatividade geral com bastante precisão em circunstâncias menos extremas, longe da singularidade. "É altamente não trivial conseguir ambos, "disse Singh, professor associado de física no estado de Louisiana. "De fato, vários investigadores exploraram a natureza quântica da singularidade do buraco negro na última década, mas ou a singularidade prevaleceu ou os mecanismos que a resolveram desencadearam efeitos não naturais. Nosso novo trabalho está livre de todas essas limitações. "