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BU
Imagem feita pelo Telescópio Espacial Hubble da galáxia Circinus, no centro da qual deve existir um buraco negro
Partículas
Todas as observações
corroboram
a existência destes que
devem estar entre
os objetos mais exóticos
do cosmos: os buracos
negros. Formados de pura
gravitação, toda matéria
que penetra seu interior
é sugada cada vez
mais para dentro,
onde é finalmente
dilacerada pela intensa
gravidade de uma região
singular que habita
seu centro.
A única forma de o universo
exterior recuperar
a energia sorvida por
esses ‘abismos cósmicos’
é através da emissão
de partículas elementares
geradas pelos próprios
buracos negros.
Essa surpreendente
descoberta acabou levando
à compreensão de que
os blocos fundamentais
que formam a matéria
do universo são muito
mais furtivos do que se
poderia imaginar.
George Emanuel A. Matsas Instituto de Física Teórica, Universidade Estadual Paulista Daniel A. Turolla Vanzella Pós-doutorando do Centro de Gravitação e Cosmologia, Universidade de Wisconsin (Milwaukee, Estados Unidos)
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com a formulaÁ„o da teoria da relatividade restrita, o fÌsico alem„o Albert Einstein (1879-1955) concluÌa a relatividade geral, obra que o projetaria mundialmen- te. Enquanto a relatividade restrita unificou as trÍs dimensıes do espaÁo (altura, largura e comprimento) e o tempo em um uno quadridimensional, o espaÁo- tempo, a relatividade geral mostrou que, em geral, toda fonte de energia (como a matÈria e a radiaÁ„o) curva o espaÁo-tempo. Assim como uma bola de boliche colo- cada no meio de uma cama el·stica a deforma, levan- do bolinhas de gude soltas sobre ela a rolarem natu- ralmente para o centro, a Terra, por exemplo, curva o espaÁo-tempo ao seu redor, fazendo com que os obje- tos, quando soltos, sejam naturalmente atraÌdos em sua direÁ„o. Modernamente entendemos a forÁa da gravidade como uma conseq¸Íncia direta da curvatu- ra do espaÁo-tempo (figura 1). Um dos resultados mais marcantes da relativida- de geral foi a prediÁ„o da possÌvel existÍncia de bu- racos negros: regiıes de campo gravitacional extre- mamente intenso, de onde nem mesmo a luz poderia escapar. A primeira soluÁ„o matem·tica que con- tinha em seu bojo um buraco negro foi descoberta j· em 1916 pelo astrofÌsico alem„o Karl Schwarzschild (1876-1916), pouco depois de a relatividade geral ter sido formulada ñ e apenas alguns meses antes de ele morrer na frente russa de batalha, onde servia como oficial alem„o.
Em 1915, 10 anos depois de revolucionar os conceitos de espaÁo e tempo
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ACOS NEGROS
elementares à luz dos
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ca moderna e a teoria usada para descrever o micromundo (dos ·tomos e seus constituintes). Ain- da n„o sabemos qual È a teoria que unificar· a relatividade geral ‡ mec‚nica qu‚ntica, mas os bu- racos negros, com suas singularidades, tÍm sido ëlaboratÛrios teÛricosí ˙teis nessa busca tortuosa e cheia de surpresas inesperadas.
ENERGIA NEGATIVA
A partir da dÈcada de 1960, as principais caracterÌs- ticas dos buracos negros comeÁaram a ser desvenda- das, uma apÛs a outra. Hoje, sabemos, por exemplo, que os buracos negros s„o extremamente simples, pois todas as suas propriedades podem ser deduzi- das a partir de sua massa, rotaÁ„o e carga elÈtrica. AlÈm disso, segundo c·lculos iniciais do fÌsico bri- t‚nico Stephen Hawking, buracos negros n„o se- riam apenas indestrutÌveis, mas tambÈm n„o pode- riam diminuir de tamanho por nenhum processo da natureza. Como conseq¸Íncia, cada buraco negro isoladamente seria um sorvedouro indestrutÌvel e insaci·vel de energia, aumentando de tamanho a cada porÁ„o de matÈria que conseguisse abocanhar. Mas surpresas ainda estavam por vir. Todas as conclusıes acima foram deduzidas com base apenas na relatividade geral. A mec‚nica qu‚ntica n„o havia sido levada em conta. Mas isso n„o preocupava os fÌsicos, que, a despeito de sabe- rem da potencial relev‚ncia da mec‚nica qu‚ntica para compreender as singularidades, n„o descon- fiavam que essa teoria tambÈm pudesse ser ˙til pa- ra entender as propriedades macroscÛpicas dos bu- racos negros. A surpresa veio em 1974, quando, ao analisar novamente o processo de colapso estelar ñ e a subseq¸ente formaÁ„o de buracos negros ñ, Hawking concluiu, para espanto de todos, inclusive dele mesmo, que, levando-se em conta a mec‚nica qu‚ntica, buracos negros emitiam partÌculas ele- mentares, ëevaporandoí em decorrÍncia disso, atÈ possivelmente desaparecerem. Mas como conciliar isso com a conclus„o obtida anteriormente pelo prÛprio Hawking de que bura- cos negros eram indestrutÌveis? A resposta est· em uma das hipÛteses que ele usou em sua demons- traÁ„o. Toda a matÈria ordin·ria, isto È, composta pelos elementos da tabela periÛdica, tem energia positiva. Assim, pareceu-lhe bastante natural assu- mir, como hipÛtese em sua deduÁ„o, que n„o have- ria na natureza fontes de energia negativa. PorÈm, quando a mec‚nica qu‚ntica entra em jogo, isso n„o È mais necessariamente verdade. A mec‚nica qu‚ntica prevÍ que o v·cuo È povoa- do de partÌculas virtuais. Elas s„o chamadas assim porque aparecem e desaparecem aos pares t„o rapida-
mente que È impossÌvel, mesmo em princÌpio, obser- v·-las. Podemos pensar nelas como formando um g·s que, apesar de n„o poder ser detectado, tem uma certa energia. O curioso È que, em certas circunst‚n- cias, essa energia pode ser negativa (ver ëEnergia de ponto zeroí). Isso È exatamente o que acontece nas imediaÁıes do buraco negro, onde esse g·s invisÌvel de partÌculas virtuais tem energia negativa. Levando em conta esse novo dado, podemos, ent„o, entender a evaporaÁ„o do buraco negro da seguinte maneira: vez por outra, as partÌculas do par virtual que surgem perto do buraco negro se distanciam o bastante para que o campo gravitacional possa ëromper sua uni„oí, antes que elas se juntem e desapareÁam novamente. Quando isso acontece, as
ENERGIA DE PONTO ZERO
O vácuo é usualmente definido como sendo o estado de mínima energia. Assim, se quisermos fazer vácuo den- tro de um recipiente, devemos primei- ro aspirar para fora todas as partícu- las de matéria e, em seguida, para eliminar toda a energia térmica, bai- xar a temperatura até o valor de zero absoluto (-273o^ C). O que resta chama- mos vácuo. E qual é a energia do vácuo? Se- gundo a física clássica, ela é nula. Mas, de acordo com a mecânica quântica, sempre resta uma energia
Apesar de as partículas virtuais não poderem, em princípio, ser observadas, elas conferem uma energia negativa ao vácuo entre placas metálicas, o que faz surgir uma força de atração (F) entre elas. Essa força pode ser observada em laboratório e, portanto, pode ser entendida como uma evidência indireta da existência das partículas virtuais
residual denominada energia de ponto zero, que não pode ser extraída por nenhum processo imaginado. Ainda mais bizarro é que, sob certas condições, essa energia residual pode ser negativa. É o que acontece entre duas placas metálicas paralelas. Quanto mais próximas, mais negativa é a energia de vácuo entre elas. Isso faz com que, pelo princípio da minimização de energia, surja uma força de atração entre as placas (figura). Esse fenômeno, denominado efeito Casimir – em homenagem ao físico holandês Hendrik Casimir (1909-2000), que o descobriu –, foi observado em 1958, uma década depois de ter sido previsto. Analogamente, nas vizinhanças de um buraco negro, a energia do vácuo quântico também é negativa, o que rigorosamente inva- lida a hipótese usada inicialmente por Hawking, em sua dedução com base somente na teoria da relatividade geral, de que buracos negros seriam indestrutíveis.
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partÌculas tornam-se reais e, portanto, detect·veis. A energia envolvida para transformar partÌculas virtuais em reais È fornecida pelo buraco negro, que, em conseq¸Íncia, diminui de tamanho (figura 2).
VIDA CURTA, ACELERAÇÃO ALTA
A conclus„o de Hawking de que buracos negros poderiam evaporar era baseada em uma deduÁ„o intrincada e cheia de sutilezas. Estaria ele realmen- te certo? Foi o que o fÌsico canadense William Un- ruh se perguntava enquanto analisava diferentes aspectos da deduÁ„o. Como conseq¸Íncia, acabou descobrindo um novo efeito, um efeito que veio esclarecer resultados anteriores devidos ao fÌsico e matem·tico norte-americano Stephen Fulling e ao fÌsico brit‚nico Paul Davies ñ por isso, o fenÙmeno ganhou o nome de efeito Fulling-Davies-Unruh. O efeito Fulling-Davies-Unruh afirma que aquilo que È visto como v·cuo (ou seja, inexistÍncia de partÌculas reais) por observadores inerciais (isto È, livres da aÁ„o de forÁas) È visto por observadores com aceleraÁ„o uniforme como um ëbanhoí formado por (todas as) partÌculas elementares. … como se os observadores acelerados pudessem ver como reais as partÌculas que, para seus companheiros inerciais,
existem apenas em um estado virtual (figura 3). Isso ilustra um fato altamente n„o trivial: ëpartÌculas elementares s„o entidades dependentes ou relativas ao observadorí. Com base nisso, pode-se afirmar que n„o sÛ o tempo e o espaÁo, mas tambÈm as partÌculas elementares n„o tÍm status absoluto. Esse efeito foi recebido com ceticismo por gran- de parte da comunidade cientÌfica. Afinal, como seria possÌvel que partÌculas elementares pudes- sem existir para alguns observadores, mas n„o para outros? Apesar de a deduÁ„o ser rigorosa e a conclu- s„o categÛrica, boa parte da comunidade assumiu a postura de que apenas uma observaÁ„o experi- mental direta seria convincente. Mas isso n„o seria tarefa f·cil, pois as aceleraÁıes necess·rias para que efeitos experimentais sejam observ·veis s„o altas demais para que um observador (ou qualquer corpo macroscÛpico) possa resistir a elas e depois contar sua histÛria. A tÌtulo de ilustraÁ„o, vale dizer que um observador acelerado a fant·sticos 10^20 m/s^2 estaria sujeito a uma temperatura menor que 1 grau acima do zero absoluto (-273 o^ C). A estratÈgia teria que ser outra. Teria que ser uma experiÍncia imagin·ria que mostrasse que a natu- reza necessita desse efeito para manter sua consis- tÍncia. Foi exatamente essa a estratÈgia usada pelos autores deste artigo, que se inspiraram em traba- lhos de Unruh com o fÌsico norte-americano Robert Wald, bem como em resultados obtidos indepen- dentemente por um trio de fÌsicos, o japonÍs Atsu- shi Higuchi, atualmente na Universidade de York (Inglaterra), o colombiano Daniel Sudarsky, atual- mente na Universidade Nacional AutÙnoma do MÈ- xico, e por um dos autores deste artigo (G.E.A.M.). Os prÛtons, ao lado dos nÍutrons, s„o as partÌcu- las que formam os n˙cleos atÙmicos. Livres de forÁas e isolados do ·tomo, os nÍutrons desinte- gram-se em pouco menos de 15 minutos ñ tempo medido por alguÈm em repouso em relaÁ„o a eles. J·
FigurFigurFigurFigurFigura 2a 2a 2a 2a 2. Próximo ao buraco negro, o campo gravitacional é suficientemente forte para que as partículas virtuais possam ser materializadas. Quando isso acontece, algumas delas podem escapar para longe, enquanto suas companheiras acabam condenadas a ultrapassar o horizonte de eventos, entrando no buraco com energia negativa e subtraindo dele energia
Figura 3. Segundo o efeito Fulling-Davies-Unruh, observadores inerciais (a) – ou seja, livre da ação de forças – enxergam o vácuo como sendo formado por pares de partículas virtuais, enquanto observadores com aceleração uniforme (b) – dentro de uma nave, por exemplo
- vêem o mesmo vácuo como um ‘banho’ formado por partículas elementares. É como se estes últimos pudessem ver como reais as partículas que, para os observadores inerciais, existem apenas em um estado virtual
