Novo buraco de minhoca permite que as informações escapem dos buracos negros

Os físicos propuseram a teoria de que um novo tipo de buraco negro "passável" pode resolver um paradoxo complexo e salvar informações que chegaram aos buracos negros

Em 1985, quando Carl Sagan escreveu seu romance “Contact”, ele precisou mover rapidamente sua protagonista Dra. Ellie Arroway da Terra para a estrela Vega. Ele fez com que ela caísse em um buraco negro e saísse alguns anos-luz dela, mas ele não entendia se tal plano fazia sentido. O astrofísico da Universidade Cornell e o renomado apresentador de televisão consultaram seu amigo Kip Thorne , um especialista em buracos negros do Instituto de Tecnologia da Califórnia (ele ganhou recentemente o Prêmio Nobel ). Thorne sabia que Arroway não poderia chegar a Vega com a ajuda de um buraco negro, que acredita-se que captura e destrói tudo o que entra nele . Mas ele percebeu que ela poderia usar um tipo diferente de buraco que não contradiz a teoria geral da relatividade de Einstein: um túnel ou um buraco de minhoca, conectando lugares remotos do espaço-tempo.

Os buracos de minhoca teóricos mais simples desmoronam imediatamente e desaparecem antes que qualquer coisa possa passar por eles. Mas Thorne imaginou se a civilização científica "infinitamente avançada" seria capaz de estabilizar o buraco de minhoca por tempo suficiente para que algo ou alguém passasse por ele. Ele achava que essa civilização poderia criar um túnel com "material exótico" que resistisse ao colapso. O material deve ter energia negativa que repele a radiação e o espaço-tempo. Sagan usou esse truque em "Contato", atribuindo a invenção de material exótico a uma civilização perdida anterior, para não entrar em detalhes. Enquanto isso, esses mesmos detalhes foram capturados por Thorne, seus alunos e muitos outros físicos que passaram anos estudando buracos negros passáveis ​​e suas aplicações teóricas. Eles descobriram que essas BHs podem servir como máquinas do tempo e causar os paradoxos da viagem no tempo - e isso é evidência de que a natureza proíbe a existência de material exótico.

Hoje, décadas depois, surgiram novos tipos de BHs aceitáveis ​​que não exigem material exótico e são potencialmente capazes de ajudar os físicos a desvendar o complexo paradoxo da BH. Foi esse paradoxo que impediu o desenvolvimento do rascunho inicial de Kontakt e levou Thorne a pensar em buracos negros passáveis ​​- ou seja, tudo o que cai no buraco negro desaparece sem deixar rasto. O apagamento completo das informações viola as regras da mecânica quântica e leva os especialistas a uma dificuldade tão grande que, nos últimos anos, alguns começaram a afirmar que um buraco negro não possui vísceras - espaço e tempo acabam estranhamente em seus horizontes.

Uma enxurrada de descobertas começou em 2016, com trabalhos relatando o primeiro buraco de minhoca passável que não exigia a adição de materiais exóticos para permanecer aberto. De acordo com Ping Gao e Daniel Jafferis da Universidade de Harvard e Aaron Wall de Stanford, a energia negativa repulsiva no útero do buraco de minhoca pode ser gerada externamente por uma ligação quântica especial entre o par de buracos negros que formam as duas entradas do buraco de minhoca. Se as duas BHs estiverem conectadas corretamente, algo jogado em uma delas voará rapidamente pelo buraco de minhoca e, depois de certos eventos no universo externo, saltará do segundo. Curiosamente, Gao, Jafferis e Wall observaram que o script deles é matematicamente equivalente ao teletransporte quântico - esta é a chave para a criptografia quântica, e isso já foi demonstrado em laboratório.

John Preskill , especialista em buracos negros e gravidade quântica da Caltech, diz que os novos buracos de minhoca que foram percorridos são uma surpresa e têm implicações no paradoxo da informação e no interior dos buracos negros. "O que eu mais gosto", diz ele, "é que o observador pode entrar no buraco negro e depois fugir dali e contar o que viu". Isso indica a existência do interior da BH e que tudo o que entra neles deve voltar.

Equação misteriosa

O trabalho em um novo buraco de minhoca começou em 2013, quando Jafferis participou de uma interessante apresentação em uma conferência de cordas na Coréia do Sul. O palestrante Juan Maldacena , professor de física do Instituto de Estudos Avançados de Princeton, concluiu a partir de várias evidências e raciocínios indiretos que ER = EPR . Ou seja, os buracos de minhoca entre os pontos distantes do espaço-tempo, os mais simples chamados pontes de Einstein-Rosen, ou ER, são equivalentes (embora não da maneira mais óbvia) a partículas quânticas emaranhadas, também conhecidas como pares de Einstein-Rosen-Podolsky, EPR. A hipótese ER = EPR , apresentada por Maldasena e Leonard Sasskind, de Stanford, está tentando resolver a versão moderna do infame paradoxo da informação do buraco negro, associando a geometria espaço-tempo controlada TOT a ligações quânticas instantâneas entre partículas separadas à distância, que Einstein chamou de "ação assustadora de longo alcance".

O paradoxo está surgindo obscuramente desde 1974, quando o físico britânico Stephen Hawking determinou que as BHs evaporam - elas irradiam lentamente calor na forma de partículas, conhecidas como "radiação Hawking". Hawking calculou que esse calor era completamente aleatório; não contém informações sobre o conteúdo do buraco negro. E quando o buraco negro deixa de existir, o mesmo acontece com o registro do universo sobre tudo o que caiu dentro do buraco negro. Mas isso viola o princípio da unitariedade, a base da teoria quântica, que afirma que quando as partículas interagem, as informações sobre elas nunca são perdidas, são apenas misturadas, de modo que se você voltar a seta do tempo da evolução quântica do Universo, verá como as coisas reaparecem, recriando com precisão o passado.


Daniel Jafferis, professor associado de física na Universidade de Harvard

Quase todo mundo acredita em unitariedade, portanto a informação é simplesmente obrigada a fugir do buraco negro - mas como? Nos últimos cinco anos, alguns teóricos, em particular Joseph Polchinski, da Universidade da Califórnia em Santa Barbara, alegaram que os buracos negros são conchas vazias sem qualquer preenchimento, e Ellie Arroway, tendo atingido o horizonte de eventos dos buracos negros, cairia em um "firewall" e irradiaria de volta.

Muitos teóricos acreditam na existência do interior de BH (e de transições mais suaves no horizonte), mas, para entendê-los, eles precisam descobrir o destino das informações que chegam lá dentro. Isso é necessário para construir uma teoria quântica de trabalho da gravidade, uma combinação há muito procurada da física quântica e uma descrição do espaço-tempo, que se manifesta de maneira mais aguda nas BHs, onde a gravidade extrema trabalha em escalas quânticas.

A gravidade quântica levou Maldasenu e, depois dele, Jafferis, à idéia de ER = EPR e buracos de minhoca. A suposta relação entre túneis espaço-temporais e emaranhamento quântico, descrita por uma hipótese, coincidiu com a idéia recente de que o espaço é costurado com o emaranhamento quântico. Aparentemente, os buracos de minhoca têm um papel especial na costura do espaço-tempo e na fuga de informações do buraco negro - mas como isso pode funcionar? Quando Jafferis ouviu o relatório de Maldacena sobre sua misteriosa equação e seus argumentos, ele sabia que o buraco de minhoca ER padrão era instável e intransitável. Mas ele se perguntou o que poderia significar a dualidade da equação de Maldasena para um buraco de minhoca passável - com o qual Thorne e outros brincaram várias décadas atrás. Três anos após o relatório na Coréia do Sul, Jafferis e seus colegas Gao e Wall apresentaram sua resposta. O trabalho deles estende a idéia de ER = EPR, equiparando não um buraco de minhoca padrão e um par de partículas emaranhadas, mas um buraco de minhoca passável e teletransporte quântico: uma lei aberta em 1993 que permite que um sistema quântico desapareça e reapareça ileso em outros lugares.

Maldacena leu o trabalho de Gao, Jafferis e Wall: "Pareceu-me que esta é uma idéia muito boa, uma daquelas que parece óbvia quando você a descobre". Maldasen e seus assistentes, Douglas Stanford e Zhen-Bin Young, começaram imediatamente a estudar as conseqüências recém-descobertas dessa idéia para o paradoxo informacional de BH; seu novo trabalho apareceu em abril. Susskind e Yin Zhao, de Stanford, acompanharam o teletransporte pelos buracos de minhoca em julho. Buracos de minhoca "pintam uma imagem geométrica interessante do processo de teletransporte", disse Maldacena. "A mensagem se move pelo buraco de minhoca."


O que acontece quando cai em um buraco negro

Mergulhando em buracos de minhoca

Em Diving Into Passable Wormholes , publicado em Fortschritte der Physik, Maldassena, Stanford e Young, consideram um novo tipo de buraco de minhoca conectando dois buracos negros: o pai BH e a filha BH, formados a partir da metade da radiação de Hawking emitida pelo pai durante a evaporação. Dois sistemas são confusos ao máximo. Então, o destino das informações da BH mais antiga fica claro: ele penetra pelo buraco de minhoca na subsidiária BH.

Durante uma entrevista em seu escritório silencioso no Instituto Maldassen de Estudos Avançados, um americano taciturno de ascendência argentina, com várias idéias influentes atrás dele, descreveu seus pensamentos radicais. À direita da lousa manchada de giz, Maldassen pintou uma imagem não tão distinta de dois buracos negros unidos por um buraco de minhoca passável. À esquerda, ele esboçou um experimento sobre teletransporte quântico, realizado pelos famosos experimentadores fictícios Alice e Bob, possuindo partículas emaranhadas quânticas a e b, respectivamente. Suponha que Alice queira teletransportar um qubit q para Bob. Ela prepara o estado combinado q e a, mede (reduzindo tudo para um par de bits clássicos, 1 e 0) e envia o resultado da medição para Bob. Ele pode usá-lo como uma chave para trabalhar em b para recriar o estado q. E agora a unidade de informação quântica é teletransportada de um lugar para outro.

Maldacena virou-se para o lado direito do tabuleiro. “As operações podem ser executadas com um par de BHs equivalente ao que eu lhe disse sobre teletransporte quântico. E nesta foto, a mensagem realmente passa pelo buraco de minhoca. ”


Juan Maldacena

Suponha que Alice jogue qubit q em BH A. Então ela mede a partícula de radiação Hawking a e envia o resultado da medição através da parte externa do Universo para Bob, que pode usar esse conhecimento para trabalhar em b, a partícula de radiação Hawking emanada do trabalho de BH B. Bob recria q , que parece ter pulado do buraco B e combina idealmente com o que caiu no A. É por isso que alguns físicos estão experimentando uma alegria tão alegre com isso: o buraco de minhoca Gao, Jafferis e Wall permitem recriar informações do buraco negro. Em seu trabalho, eles colocaram seu buraco de minhoca em um espaço-tempo negativamente curvado, que geralmente serve como um campo útil, embora não realista, para experimentos na teoria da gravidade quântica. No entanto, a idéia de buracos de minhoca se estende ao mundo real, desde que as duas BHs estejam conectadas da maneira correta: “Elas devem estar causalmente conectadas e, em seguida, a natureza das interações que descrevemos será o caso mais simples que se pode imaginar”, explica Jafferis. Se a radiação Hawking de um BH é permitida cair em outro, então dois BHs se enredam e as informações quânticas que caem em um deles vêm do outro.

O formato de teletransporte quântico proíbe o uso de buracos de minhoca que podem ser percorridos como máquinas do tempo. Tudo o que passa pelo buraco de minhoca deve esperar até que a mensagem de Alice chegue a Bob através do universo externo, até que ela possa sair da BH de Bob - para que o buraco de minhoca não forneça velocidade superluminal que poderia ser usada para viagens no tempo. Aparentemente, buracos de minhoca percorridos podem existir na natureza, desde que não ofereçam vantagens de velocidade. "Buracos de minhoca aceitáveis ​​são como um empréstimo bancário", escrevem Gao, Jafferis e Wall em seu trabalho. "Você só pode obtê-lo quando é rico o suficiente para não precisar de você."

Polvo ingênuo

Embora os buracos negros passáveis ​​não revolucionem as viagens espaciais, Preskill argumenta que a nova descoberta fornece uma "solução promissora" para a questão do firewall, sugerindo que não há firewall no horizonte. Preskill disse que a descoberta salva "complementaridade de buracos negros", o que significa que o interior e o exterior das BHs não são dois sistemas diferentes, mas servem como duas maneiras diferentes, mas complementares, de olhar para o mesmo sistema. Se a complementaridade persistir, como muitos sugeriram, então, ao passar pelo horizonte de eventos de BH de uma parte do Universo para outra, Ellie Arroway de Kontakt não sentiria nada de estranho. Aparentemente, sob certas condições, ela poderia até deslizar pelo buraco de minhoca de Gao-Jafferis-Wall.

O buraco de minhoca também protege a unitariedade - o princípio da não perda de informações - pelo menos no caso das BHs confusas que estão sendo estudadas atualmente. Tudo o que cai em um BH vem de outro na forma de radiação Hawking, como diz Preskill, que "pode ​​ser considerada como uma versão fortemente criptografada do interior do BH".

Resumindo a abertura para uma conclusão lógica, Preskill acredita que deveria ser possível (pelo menos para uma civilização infinitamente avançada "influenciar o interior de uma dessas BHs manipulando sua radiação. Isso" parece loucura ", como ele escreveu em uma de suas cartas, mas "Pode fazer sentido se lembrarmos que a radiação confundida com o buraco negro - EPR - está conectada com o interior do buraco negro com buracos de minhoca - ER. Então a manipulação da radiação pode enviar uma mensagem que pode ser lida dentro do buraco negro! Mas ainda temos muito trabalho a fazer antes como podemos m descrição detalhada da imagem ".

Existem muitos obstáculos para generalizar novos buracos de minhoca abertos para descrever o destino de todas as informações quânticas e o valor da equação ER = EPR.


Um esboço de um polvo explicando a idéia de ER = EPR

O artigo de Muldasena e Sasskind, provando que ER = EPR, é um esboço chamado "polvo": um buraco negro com buracos de minhoca em forma de tentáculo, levando a partículas Hawking distantes emitidas a partir dele. O autor explica que o esboço ilustra o “entrelaçamento entre a radiação BH e Hawking. Acreditamos que esse emaranhado leva à geometria interna do buraco negro. ”

Mas, de acordo com Matt Wisser, um matemático e especialista em relatividade geral da Universidade Queen Victoria, em Wellington, que estuda buracos de minhoca desde os anos 90, você não precisa interpretar literalmente o desenho de um polvo. Os buracos de minhoca formados antes das partículas individuais de Hawking serão tão finos que os qubits não se arrastarão por eles. "O buraco de minhoca passável é transparente apenas para pacotes de ondas menores que seu raio de tamanho", explica Visser. "Os pacotes de ondas grandes simplesmente ricochetearão nos pequenos buracos de minhoca e não passarão para eles do outro lado."

Stanford, co-autor do trabalho recente de Muldasena e Young, admite que isso pode ser um problema na interpretação mais simples da idéia de ER = EPR, na qual cada partícula de Hawking tem seu próprio tentáculo. No entanto, uma interpretação mais abstrata da ideia que ele e seus colegas estavam considerando não sofria dessa falha. "Acreditamos que, para recuperar informações da radiação Hawking usando buracos de minhoca passáveis, é necessário coletar a radiação Hawking em um local e trabalhar com ela de uma maneira bastante complicada". Essa medida coletiva fornece informações sobre partículas que caíram anteriormente na BH; como ele diz, ele tem “um grande buraco de minhoca que pode ser percorrido, feito de pequenos tentáculos inúteis. Então a informação é transmitida através deste grande buraco de minhoca. ” Maldasena acrescentou que, mais simplesmente, a teoria da gravidade quântica pode ter uma nova idéia generalizada de geometria, na qual ER é igual a EPR. "Acreditamos que a gravidade quântica deve obedecer a esse princípio", diz ele. "Vemos isso mais como uma diretriz para a teoria."

No popular livro científico de 1994, Black Holes and the Creases of Time , Kip Thorne admira o raciocínio usado na pesquisa de buracos de minhoca. “Nenhum experimento mental coloca tanto peso nas leis da física quanto as que surgiram devido a um telefonema de Karl Sagan”, ele escreve, “experimentos mentais fazendo a pergunta:“ Do ponto de vista das leis da física, uma civilização infinitamente avançada pode arcar com os custos, e o que não pode? ”