O estranho destino de uma pessoa a cair num buraco negro

Esta foi a história mais lida na BBC Terra em 2015. Aqui está outra chance de lê-la.

Pode acontecer com qualquer um. Talvez você esteja tentando encontrar um novo planeta habitável para a raça humana, ou talvez você esteja apenas em uma longa caminhada e você escorrega. Quaisquer que sejam as circunstâncias, em algum momento todos nós nos vemos confrontados com a velha questão: o que acontece quando você cai num buraco negro?

Você pode esperar ser esmagado, ou talvez despedaçado. Mas a realidade é mais estranha do que isso.

No instante em que você entra no buraco negro, a realidade se dividiria em duas. Em um, você seria instantaneamente incinerado, e no outro você mergulharia no buraco negro completamente ileso.

Um buraco negro é um lugar onde as leis da física como as conhecemos se quebram. Einstein ensinou-nos que a gravidade empena o espaço em si, fazendo-o curvar. Assim, dado um objeto suficientemente denso, o espaço-tempo pode tornar-se tão deformado que se torce sobre si mesmo, fazendo um buraco através do próprio tecido da realidade.

Uma estrela maciça que ficou sem combustível pode produzir o tipo de densidade extrema necessária para criar um pedaço de mundo tão deformado. À medida que se dobra sob o seu próprio peso e se desmorona para dentro, cavernas de espaço-tempo entram com ele. O campo gravitacional torna-se tão forte que nem a luz consegue escapar, tornando a região onde a estrela costumava ser profundamente escura: um buraco negro.

À medida que se vai mais fundo no buraco negro, o espaço torna-se cada vez mais curvo

O limite exterior do buraco é o seu horizonte de eventos, o ponto em que a força gravitacional contraria precisamente os esforços da luz para escapar a ele. Aproxime-se mais do que isso e não há fuga.

O horizonte de eventos está em chamas com energia. Efeitos quânticos na borda criam fluxos de partículas quentes que irradiam de volta para o universo. Isto é chamado de radiação Hawking, depois do físico Stephen Hawking, que a previu. Dado tempo suficiente, o buraco negro irradiará sua massa, e desaparecerá.

À medida que você vai mais fundo no buraco negro, o espaço se torna cada vez mais curvado até que, no centro, ele se torna infinitamente curvado. Esta é a singularidade. Espaço e tempo deixam de ser idéias significativas, e as leis da física como as conhecemos – todas elas requerem espaço e tempo – não se aplicam mais.

O que acontece aqui, ninguém sabe. Outro universo? Oblivion? O verso de uma estante de livros? É um mistério.

Então o que acontece se você acidentalmente cair em uma dessas aberrações cósmicas? Vamos começar perguntando à sua companheira espacial – vamos chamá-la Anne – que observa horrorizada enquanto você mergulha em direção ao buraco negro, enquanto ela permanece segura lá fora. De onde ela está flutuando, as coisas estão prestes a ficar estranhas.

Enquanto você acelera em direção ao horizonte do evento, Anne vê você se esticar e contorcer, como se ela estivesse vendo você através de uma lupa gigante. E mais, quanto mais próximo do horizonte, mais você parece se mover em câmera lenta.

Antes de você atravessar para a escuridão do buraco negro, você é reduzido a cinzas

Você não pode gritar para ela, pois não há ar no espaço, mas você pode tentar flasheá-la uma mensagem Morse com a luz no seu iPhone (há um aplicativo para isso). No entanto, suas palavras chegam a ela cada vez mais lentamente, as ondas de luz se esticam para frequências cada vez mais baixas e avermelhadas: “Muito bem, a l r i g h t, a l r i…”

Quando você chega ao horizonte, Anne vê você congelar, como se alguém tivesse apertado o botão de pausa. Você permanece engessado lá, imóvel, esticado através da superfície do horizonte enquanto um calor crescente começa a engolir você.

De acordo com Anne, você é lentamente obliterado pelo estiramento do espaço, a parada do tempo e os incêndios da radiação Hawking. Antes de você cruzar para a escuridão do buraco negro, você é reduzido a cinzas.

Mas antes de planejarmos o seu funeral, vamos esquecer Anne e ver esta cena horrível do seu ponto de vista. Agora, algo ainda mais estranho acontece: nada.

Você navega diretamente para o destino mais sinistro da natureza, sem sequer um galo ou uma sacudida – e certamente sem esticar, retardar ou escaldar a radiação. Isso é porque você está em queda livre, e portanto não sente gravidade: algo que Einstein chamou de seu “pensamento mais feliz”.

Num buraco negro grande o suficiente, você poderia viver o resto de sua vida normalmente

Afinal, o horizonte do evento não é como uma parede de tijolo flutuando no espaço. É um artefacto de perspectiva. Um observador que permanece fora do buraco negro não consegue ver através dele, mas isso não é problema seu. No que lhe diz respeito, não há horizonte.

Certo, se o buraco negro fosse menor, você teria um problema. A força da gravidade seria muito mais forte aos teus pés do que à tua cabeça, esticando-te como um pedaço de esparguete. Mas felizmente para ti este é um grande, milhões de vezes mais maciço do que o nosso Sol, por isso as forças que poderiam esparguetear-te são fracas o suficiente para serem ignoradas.

De facto, num buraco negro suficientemente grande, poderias viver o resto da tua vida bastante normalmente antes de morreres na singularidade.

Como poderia ser realmente normal, você poderia se perguntar, já que você está sendo sugado para uma ruptura no continuum espaço-tempo, puxado contra a sua vontade, incapaz de voltar para o outro lado?

Você não pode se virar e escapar do buraco negro

Mas quando você pensa sobre isso, todos nós sabemos essa sensação, não da nossa experiência com o espaço, mas com o tempo. O tempo só vai para a frente, nunca para trás, e puxa-nos contra a nossa vontade, impedindo-nos de nos virarmos.

Isto não é apenas uma analogia. Os buracos negros empenam o espaço e o tempo a um tal extremo que dentro do horizonte do buraco negro, o espaço e o tempo na verdade trocam de papéis. Em certo sentido, é realmente o tempo que o puxa para a singularidade. Você não pode dar a volta e escapar do buraco negro, assim como não pode dar a volta e viajar de volta ao passado.

Neste ponto você pode querer parar e fazer a si mesmo uma pergunta urgente: Que diabos há de errado com Anne? Se estás a arrefecer dentro do buraco negro, rodeada por nada mais estranho do que espaço vazio, porque é que ela insiste que foste queimada pela radiação fora do horizonte? Ela está a alucinar?

Afeitamente, a Anne está a ser perfeitamente razoável. Do ponto de vista dela, você realmente foi queimada até uma crisp no horizonte. Não é uma ilusão. Ela poderia até recolher as suas cinzas e enviá-las de volta aos seus entes queridos.

Na verdade, as leis da natureza exigem que você permaneça fora do buraco negro, como visto da perspectiva de Anne. Isso porque a física quântica exige que a informação nunca possa ser perdida. Cada pedaço de informação que explica a sua existência tem que ficar fora do horizonte, para que as leis da física da Anne não sejam quebradas.

Você tem que estar em dois lugares, mas só pode haver uma cópia de você

Por outro lado, as leis da física também exigem que você navegue através do horizonte sem encontrar partículas quentes ou algo fora do comum. Caso contrário você estaria violando o pensamento mais feliz de Einstein, e sua teoria da relatividade geral.

Então as leis da física exigem que você esteja tanto fora do buraco negro em uma pilha de cinzas quanto dentro do buraco negro vivo e bem. Por último mas não menos importante, há uma terceira lei da física que diz que a informação não pode ser clonada. Você tem que estar em dois lugares, mas só pode haver uma cópia de você.

De algum modo, as leis da física nos apontam para uma conclusão que parece um tanto absurda. Os físicos chamam a este enigma enfurecedor o paradoxo da informação do buraco negro. Felizmente, nos anos 90 eles encontraram uma maneira de resolver isso.

Leonard Susskind percebeu que não há paradoxo, porque ninguém nunca vê o seu clone. Anne só vê uma cópia de você. Você só vê uma cópia de você. Você e Anne nunca podem comparar notas. E não há um terceiro observador que possa ver tanto dentro como fora de um buraco negro simultaneamente. Então, nenhuma lei da física é quebrada.

A realidade depende de quem você perguntar

Unless, ou seja, você exige saber qual história é realmente verdadeira. Você está realmente morto ou está realmente vivo?

O grande segredo que os buracos negros nos revelaram é que não existe realmente. A realidade depende de quem você perguntar. Há a realidade de Anne e há a sua realidade. Fim da história.

Bem, quase. No verão de 2012, os físicos Ahmed Almheiri, Donald Marolf, Joe Polchinski e James Sully, coletivamente conhecidos como AMPS, conceberam uma experiência de pensamento que ameaçou acabar com tudo o que pensávamos saber sobre buracos negros.

Eles perceberam que a solução de Susskind baseava-se no fato de que qualquer desacordo entre você e Anne é mediado pelo horizonte do evento. Não importava se Anne via a versão azarada de você espalhada entre a radiação Hawking, porque o horizonte a impedia de ver a outra versão de você flutuando dentro do buraco negro.

Anne poderia dar uma olhada atrás do horizonte

Mas e se houvesse uma maneira de ela descobrir o que estava do outro lado do horizonte, sem realmente cruzá-lo?

A relatividade ordinária diria que é um não-não, mas a mecânica quântica torna as regras um pouco mais fúteis. Anne poderia dar uma espreitadela atrás do horizonte, usando um pequeno truque que Einstein chamou de “ação assustadora à distância”.

Isto acontece quando dois conjuntos de partículas que estão separadas no espaço estão misteriosamente “enredadas”. Eles são parte de um todo único e indivisível, de modo que as informações necessárias para descrevê-los não podem ser encontradas em nenhum dos dois conjuntos, mas nas ligações assustadoras entre eles.

A ideia AMPS foi algo parecido com isto. Digamos que a Anne agarra um pouco de informação perto do horizonte – chame-lhe A.

Cada pedaço de informação só pode ser enredado uma vez

Se a história dela está certa, e você está perdido, mexido entre a radiação Hawking fora do buraco negro, então A deve estar enredado com outro pedaço de informação, B, que também é parte da nuvem quente de radiação.

Por outro lado, se a sua história é verdadeira, e você está vivo e bem do outro lado do horizonte do evento, então A deve estar enredado com um pedaço diferente de informação, C, que está em algum lugar dentro do buraco negro.

Aqui está o pontapé: cada pedaço de informação só pode ser enredado uma vez. Isso significa que A só pode ser enredado com B ou com C, e não com ambos.

Então Anne pega sua parte, A, e a coloca através de sua máquina de enredar e descodificar, que cospe uma resposta: ou B ou C.

Você desliza e vive uma vida normal?

Se a resposta acabar por ser C, então a sua história ganha, mas as leis da mecânica quântica são quebradas. Se A está enredado com C, que está profundamente dentro do buraco negro, então esse pedaço de informação é perdido para Anne para sempre. Isso quebra a lei quântica de que a informação nunca pode ser perdida.

p>Que deixa B. Se a máquina de descodificação de Anne descodifica que A está enredada com B, então Anne ganha, e a relatividade geral perde. Se A está enredada com B, então a história de Anne é a única história verdadeira, o que significa que você realmente foi queimado até ficar crocante. Ao invés de navegar direto pelo horizonte, como a relatividade diz que você deve, você bateu num firewall em chamas.

Então estamos de volta onde começamos: o que acontece quando você cai em um buraco negro? Você desliza e vive uma vida normal, graças a uma realidade estranhamente dependente do observador? Ou aproxima-se do horizonte do buraco negro apenas para colidir com um firewall mortal?

Ninguém sabe a resposta, e tornou-se uma das questões mais controversas da física fundamental.

A Anne levaria um tempo extraordinariamente longo para descodificar o emaranhado

Físicos passaram mais de um século tentando conciliar a relatividade geral com a mecânica quântica, sabendo que eventualmente um ou outro teria que dar. A solução para o paradoxo do firewall deve nos dizer qual, e apontar o caminho para uma teoria ainda mais profunda do universo.

Uma pista pode estar na máquina de decodificação da Anne. Descobrir com que outro pedaço de informação A está enredado é um problema extraordinariamente complicado. Então os físicos Daniel Harlow da Universidade de Princeton em Nova Jersey e Patrick Hayden, agora na Universidade de Stanford na Califórnia, se perguntaram quanto tempo levaria.

Em 2013 eles calcularam que, mesmo com o computador mais rápido que as leis da física permitiriam, Anne levaria um tempo extraordinariamente longo para decodificar o emaranhado. Quando ela tivesse uma resposta, o buraco negro já teria evaporado por muito tempo, desaparecendo do universo e levando consigo a ameaça de um firewall mortal.

Se esse fosse o caso, a complexidade do problema poderia impedir Anne de alguma vez descobrir qual é a verdadeira história. Isso deixaria ambas as histórias simultaneamente verdadeiras, a realidade intrigantemente dependente do observador, todas as leis da física intactas, e ninguém em perigo de se deparar com uma parede de fogo inexplicável.

Se a verdadeira natureza da realidade está escondida em algum lugar, o melhor lugar para olhar é um buraco negro

Também dá aos físicos algo novo para pensar: as conexões tentadoras entre cálculos complexos (como o que Anne aparentemente não consegue fazer) e espaço-tempo. Isto pode abrir a porta para algo ainda mais profundo.

É o que se passa com os buracos negros. Eles não são apenas obstáculos irritantes para os viajantes espaciais. Eles também são laboratórios teóricos que pegam as mais sutis peculiaridades das leis da física, depois as amplificam a tais proporções que não podem ser ignoradas.

Se a verdadeira natureza da realidade está escondida em algum lugar, o melhor lugar para procurar é um buraco negro. É provavelmente melhor olhar de fora, no entanto: pelo menos até eles descobrirem toda esta coisa do firewall. Ou mandar a Anne entrar. Já é a vez dela.