O Universo é um lugar incrível e estranho, cheio de fenômenos inexplicáveis. Um desses fenômenos, o paradoxo da informação do buraco negro, parece violar uma lei fundamental da física.
O horizonte de eventos de um buraco negro é considerado a última fronteira: uma vez além dele, nada pode sair do buraco negro, nem mesmo a luz. Mas isso se aplica a informações como tais? Ela ficará perdida para sempre no buraco negro como tudo mais?
Em primeiro lugar, devemos entender que o paradoxo da informação dos buracos negros não está relacionado a como estamos acostumados a perceber a informação. Quando pensamos nas palavras impressas em um livro, no número de bits e bytes em um arquivo de computador ou nas configurações e propriedades quânticas das partículas que compõem um sistema, pensamos nas informações como o conjunto completo de tudo o que precisamos para recriar qualquer coisa do zero.
Porém, essa definição tradicional de informação não é uma propriedade física direta que pode ser medida ou calculada, como, por exemplo, pode ser feito com a temperatura. Felizmente para nós, existe uma propriedade física que podemos definir como equivalente à informação - entropia. Em vez de pensar na entropia como uma medida de desordem, ela deve ser vista como a informação “ausente” necessária para determinar o microestado específico de um sistema.
Quando um buraco negro absorve massa, a quantidade de entropia de uma substância é determinada por suas propriedades físicas. No entanto, dentro de um buraco negro, apenas propriedades como massa, carga e momento angular são importantes. Para a preservação da segunda lei da termodinâmica, isto apresenta um sério problema / & copy; NASA / CXC / M. WEISS Quando um buraco negro absorve massa, a quantidade de entropia da matéria é determinada por suas propriedades físicas. No entanto, dentro de um buraco negro, apenas propriedades como massa, carga e momento angular são importantes. Isso apresenta um sério problema para a preservação da segunda lei da termodinâmica.
Existem certas regras no universo que a entropia deve seguir. A segunda lei da termodinâmica pode ser considerada a mais indestrutível de todas: pegue qualquer sistema, não permita que nada entre ou saia dele - e sua entropia nunca diminuirá repentinamente.
Um ovo quebrado não se acumula de volta em sua casca, a água quente nunca se separa em partes quentes e frias e as cinzas nunca se acumulam na forma do objeto que eram antes de serem queimadas. Tudo isso seria um exemplo de entropia decrescente e, obviamente, nada como isso acontece na natureza por si só. A entropia pode permanecer a mesma e aumentar na maioria das circunstâncias, mas nunca pode retornar a um estado inferior.
A única maneira de reduzir artificialmente a entropia é introduzir energia no sistema, "enganando" a segunda lei da termodinâmica, aumentando a entropia externa a este sistema em um valor maior do que diminui neste sistema. A limpeza da casa é um ótimo exemplo. Em outras palavras, você não pode se livrar da entropia.
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Então, o que acontece quando um buraco negro se alimenta de matéria? Vamos imaginar que estamos jogando um livro em um buraco negro. As únicas propriedades que podemos atribuir a um buraco negro são bastante mundanas: massa, carga e momento angular. O livro contém informações, mas quando você o joga em um buraco negro, ele apenas aumenta sua massa. Inicialmente, quando os cientistas começaram a estudar esse problema, acreditava-se que a entropia de um buraco negro era zero. Mas se esse fosse o caso, colocar algo em um buraco negro sempre violaria a segunda lei da termodinâmica. O que, claro, é impossível.
A massa de um buraco negro é o único fator determinante no raio do horizonte de eventos para um buraco negro não rotativo e isolado. Por muito tempo, acreditou-se que os buracos negros são objetos estáticos no espaço-tempo do universo.
Mas como você calcula a entropia de um buraco negro?
Essa ideia pode ser rastreada até John Wheeler, pensando sobre o que acontece com um objeto quando ele cai em um buraco negro da perspectiva de um observador distante do horizonte de eventos. De uma grande distância, parece-nos que uma pessoa que cai em um buraco negro se aproxima assintoticamente do horizonte de eventos, corando cada vez mais devido ao desvio para o vermelho gravitacional e movendo-se infinitamente por muito tempo em direção ao horizonte devido ao efeito da dilatação relativística do tempo. Assim, as informações de algo que caiu em um buraco negro permaneceriam “criptografadas” em sua superfície.
Isso resolve o problema com elegância e parece razoável. Quando algo cai em um buraco negro, sua massa aumenta. Com o aumento da massa, seu raio também aumenta e, portanto, a área de superfície. Quanto maior a área de superfície, mais informações podem ser criptografadas.
Isso significa que a entropia de um buraco negro não é zero, mas, ao contrário, enorme. Apesar de o horizonte de eventos ser relativamente pequeno em comparação com o tamanho do universo, a quantidade de espaço necessária para registrar um bit quântico é pequena, o que significa que quantidades incríveis de informações podem ser registradas na superfície de um buraco negro. A entropia aumenta, a informação é preservada e as leis da termodinâmica são preservadas. Você pode se dispersar, certo?
Bits de informação proporcionais à área de superfície do horizonte de eventos podem ser codificados na superfície de um buraco negro.
Na verdade não. A questão é que, se os buracos negros têm entropia, eles também devem ter temperatura. Como acontece com qualquer outro objeto com temperatura, a radiação deve vir deles.
Como Stephen Hawking demonstrou, os buracos negros emitem radiação em um espectro específico (o espectro de um corpo negro) e em uma temperatura específica, determinada pela massa do buraco negro. Com o tempo, essa radiação de energia leva à perda de sua massa pelo buraco negro, conforme a famosa equação de Einstein: E = mc ^ 2. Se energia é emitida, ela deve vir de algum lugar, e esse “algum lugar” deve ser o próprio buraco negro. Com o tempo, o buraco negro perderá sua massa cada vez mais rápido e, em um ponto - em um futuro distante - ele evaporará completamente em um flash de luz brilhante.
Mas se um buraco negro evapora na radiação do corpo negro, determinada apenas por sua massa, o que acontece com todas as informações e entropia registradas em seu horizonte de eventos? Afinal, você não pode simplesmente destruir essas informações?
Esta é a raiz do paradoxo da informação do buraco negro. O buraco negro deve ter uma alta entropia, que inclui todas as informações sobre o que o criou. As informações sobre a queda de objetos são registradas na superfície do horizonte de eventos. Mas quando um buraco negro decai através da radiação Hawking, o horizonte de eventos desaparece, deixando para trás apenas radiação. Essa radiação, como sugerem os cientistas, depende apenas da massa do buraco negro.
Imagine que temos dois livros - sobre absurdo absoluto e "O Conde de Monte Cristo" - contendo diferentes quantidades de informações, mas idênticas em massa. Nós os jogamos em buracos negros idênticos, dos quais esperamos receber radiação Hawking equivalente. Para um observador externo, tudo parece que a informação está sendo destruída e, dado o que sabemos sobre a entropia, isso é impossível, pois violaria a segunda lei da termodinâmica.
Se queimarmos esses dois livros do mesmo tamanho, as variações na estrutura molecular, a ordem das letras no papel e outras pequenas diferenças conteriam informações que poderiam nos ajudar a reconstruir as informações dos livros. Pode ser uma bagunça completa, mas não vai a lugar nenhum por conta própria. No entanto, o paradoxo da informação dos buracos negros é um problema real. Depois que o buraco negro evapora, nenhum traço dessa informação primordial permanece no universo observável.
A decadência simulada de um buraco negro leva não apenas à emissão de radiação, mas também à decadência da massa giratória central, que mantém a maioria dos objetos estáveis. Os buracos negros são objetos não estáticos que mudam com o tempo. No entanto, em horizontes de eventos, os buracos negros formados a partir de materiais diferentes devem reter informações diferentes.
Talvez ainda não haja solução para esse paradoxo e ele apresente um sério problema para a física. No entanto, existem duas opções para sua possível solução:
1. A informação é completamente destruída durante a evaporação de um buraco negro, o que significa que novas leis físicas estão associadas a este processo.
2. A radiação emitida de alguma forma contém esta informação, portanto, a radiação Hawking é algo mais do que a ciência conhece.
A maioria das pessoas que trabalham com esse problema acredita que deve haver alguma maneira pela qual as informações armazenadas na superfície de um buraco negro sejam "impressas" na radiação emitida. No entanto, ninguém sabe exatamente como isso acontece. Talvez a informação na superfície do buraco negro introduza correções quânticas ao estado exclusivamente térmico da radiação Hawking? Talvez, mas ainda não foi provado. Hoje existem muitas soluções hipotéticas para este paradoxo, mas nenhuma delas ainda foi confirmada.
O paradoxo da informação dos buracos negros não depende se a natureza do universo quântico é determinística ou não determinística, qual interpretação quântica você prefere, se existem variáveis ocultas e muitos outros aspectos da natureza da realidade. E embora muitas das soluções propostas incluam o princípio holográfico, ainda não se sabe se ele desempenha algum papel na solução final do paradoxo.
Vladimir Guillen
