[ Este post é uma tradução de um artigo de Sabina Hossenfelder ]“Breve História do Tempo”, de Stephen Hawking, foi um dos primeiros livros de não-ficção que li e odiei. Eu odiava porque não entendi. A frustração deste livro se tornou uma das principais razões pelas quais me tornei físico - bem, pelo menos eu sei a quem culpar por isso.
Nota tradução: adicionei links e algumas ilustrações e também removi uma parte do texto que não era particularmente relevante para o caso (o local é anotado no texto).
O post original não pode se orgulhar de uma estrutura narrativa ideal que eu não mudei. Mas o problema é muito importante e relevante e, por sua discussão e explicação para Sabina, podemos perdoar os erros de estilo.
O post pode ser considerado um comentário estendido sobre a recente publicação da tradução de Ethan.
Parei de odiar este livro - devo admitir, com a sugestão de Hawking, que o interesse do público em geral pelos problemas fundamentais da física (relacionados aos buracos negros) foi despertado. Mas de vez em quando eu ainda quero acertar no livro. Não porque eu não a entendo, mas porque ela convenceu tantas pessoas que
elas a entendem.
Neste livro, Hawking pintou uma imagem elegante da evaporação de buracos negros, que agora é usada em todos os lugares. Na sua opinião, os buracos negros evaporam, porque pares de partículas virtuais que surgem perto do horizonte são dilaceradas por forças das marés. Uma das partículas aparece além do horizonte de eventos, cai em um buraco negro e a segunda desaparece. Como resultado, um buraco negro constantemente emite partículas no horizonte de eventos. É simples, é intuitivo e é completamente falso.
Essa explicação é uma ilustração simples, nada mais. Na realidade - você não ficará surpreso - a situação é mais complicada.
Os pares de partículas - na medida em que faz sentido falar sobre partículas na física quântica - não estão localizados no espaço. Eles são "manchados" sobre uma região do espaço comparável ao raio de um buraco negro (
aproximadamente Trans. Semelhante ao modo como um elétron não se move em uma órbita específica ao redor do núcleo de um átomo, estando em algum momento nele, mas é "manchado" ao redor do núcleo ). Pares de partículas não aparecem como pontos, mas como nuvens, borradas por todo o buraco negro, e só se separam a distâncias comparáveis ao raio do buraco negro. A imagem que Hawking pintou para não especialistas não é suportada por nenhuma matemática. Há um elemento de verdade, mas não deve ser levado muito a sério - pode se tornar uma fonte de muitos conceitos errôneos.
O fato de a explicação de Hawking não ser precisa não é novo - desde o início dos anos 70, sabe-se que a radiação de Hawking não ocorre no horizonte. Já no
livro de Birrell e Davis (1984) está claramente escrito que, se assumirmos a ocorrência de radiação no horizonte e considerarmos o processo de radiação na direção oposta no tempo: rastrear partículas que se aproximam do horizonte de eventos de longe e aumentar a frequência ("
desvio azul "), isso não fornecerá uma descrição correta da área próxima ao horizonte de eventos. A abordagem correta seria diferente: as partículas do par Hawking no nascimento são "borradas" e misturadas umas com as outras, para que possamos falar delas como "partículas" apenas no sentido local (
queremos dizer o sistema de coordenadas local do ponto de vista de GR, aprox. . ). Além disso, é preciso considerar honestamente quantidades observáveis, como o tensor momento-momento.
A suposição da aparência de pares a uma certa distância do horizonte de eventos era necessária para resolver o enigma que os físicos estavam intrigados nos anos 70-80. A temperatura de radiação de um buraco negro é muito baixa quando vista à distância. Mas, para que essa radiação escape da atração do buraco negro, ela deve possuir inicialmente uma enorme energia perto do horizonte. E então um observador que caísse em um buraco negro se transformaria em cinzas, passando por uma área com tanta energia. Isso, por sua vez, viola o
princípio da equivalência , segundo o qual um observador que cai em um buraco negro não deve notar nada incomum ao cruzar o horizonte.
Para resolver esse problema, é preciso levar em consideração que a radiação não pode ser vista como proveniente do próprio horizonte. Se honestamente calcularmos
o tensor de momento de energia próximo ao horizonte, verifica-se que ele é pequeno o suficiente e permanece assim ao cruzar o horizonte. De fato, é tão pequeno que um observador em queda será capaz de notar uma diferença no espaço plano apenas a distâncias comparáveis ao raio de um buraco negro (que também é o tamanho da curvatura do espaço-tempo). Então, tudo converge, e nenhuma violação do princípio da equivalência surge.
[Eu sei que tudo isso parece um
problema de firewall que
discuti anteriormente, mas esse é um efeito ligeiramente diferente.
(Nota: O problema do firewall surge se considerarmos o emaranhado entre a partícula emitida e a que caiu em um buraco negro. Para satisfazer os princípios da mecânica quântica, essas correlações devem ser destruídas. Quando as correlações são destruídas, uma enorme energia é liberada que cria uma “parede de fogo” no horizonte.) Isso causa vários problemas ao computar próximo ao horizonte. A ideia de um firewall pode ser criticada com base no fato de que o tensor de momento de energia não foi calculado no
artigo original sobre um firewall . Ao contrário de
outros, não acho que o problema seja esse.]
A verdadeira razão, apoiada em cálculos, é que as partículas são emitidas por buracos negros porque o conceito de partícula é diferente para diferentes observadores.
Estamos acostumados ao fato de que a partícula está localizada conosco ou não. No entanto, isso é verdade apenas enquanto nos movemos uniformemente em relação um ao outro. Se o observador (nós) acelera, a própria definição de partícula para ele muda. O que parece um vácuo vazio para um observador com movimento uniforme é preenchido com partículas durante a aceleração.
Esse efeito recebeu o nome de
Bill Unruh , que o propôs quase simultaneamente com a hipótese de Hawking de radiação de buraco negro. O efeito em si é pequeno demais para nossas acelerações habituais, e nunca o notamos.
O efeito Unruh está intimamente relacionado ao efeito de evaporação do buraco negro de Hawking. Quando surgem buracos negros, a matéria colapsada em um buraco negro cria espaço-tempo dinâmico, o que leva à aceleração entre observadores no passado e no futuro. Como resultado, o espaço-tempo em torno do colapso da matéria, que não continha partículas antes do aparecimento do buraco negro, é preenchido com radiação térmica nos estágios finais do colapso. Ou seja, a radiação Hawking é o mesmo vácuo que originalmente cercava a substância em colapso (
aproximadamente. Exatamente como no efeito Unruh, o vácuo é preenchido com radiação quando o observador acelera ).
Esta é a fonte da radiação do buraco negro: a própria definição de partícula depende do observador. Não é tão simples quanto uma imagem de Hawking, mas muito mais precisa.
A imagem de Hawking dos pares partícula-antipartícula no horizonte tornou-se tão incrivelmente popular que até alguns físicos agora acreditam que isso é exatamente o que acontece (
Nota : por
exemplo, no post de Sabina, eu mesmo achava isso para minha vergonha ). O fato de o deslocamento azul da radiação ao considerar sua propagação no tempo do infinito ao horizonte fornecer tanta energia no horizonte foi perdido na literatura. Infelizmente, o mal-entendido da conexão entre o fluxo de partículas de Hawking longe de BH e próximo ao horizonte de eventos leva à conclusão incorreta de que esse fluxo é muito mais forte do que realmente é. Por exemplo, isso
levou Mersini-Houghton a erros na obtenção de evidências de que buracos negros não existem.
(
Nota. Além disso, o artigo é reduzido para facilitar a leitura, o post original discute o livro “Ação assustadora à distância” e cálculos em que a distância exata em que a radiação Hawking surge - até vários raios BH - é calculada e a fonte do efeito é discutida em detalhes )
Se o livro de Hawking me ensinou uma coisa, é que metáforas visuais pegajosas podem ser tanto uma maldição quanto uma bênção.
