Buracos negros em estados quânticos têm massas surpreendentemente estranhas: WebCuriosos

Durante quase um século, a física quântica e a teoria geral da relatividade têm sido um casamento falido. Cada um perfeito à sua maneira, os dois simplesmente não se suportam quando estão na mesma sala.

Agora, uma prova matemática sobre a natureza quântica dos buracos negros poderá mostrar-nos como os dois podem reconciliar-se, pelo menos o suficiente para produzir uma nova e grandiosa teoria sobre como o Universo funciona nas escalas cósmica e microcósmica.

Uma equipe de físicos demonstrou matematicamente uma peculiaridade estranha sobre como esses objetos densos e alucinantes podem existir em um estado de superposição quântica, ocupando simultaneamente um espectro de características possíveis.

Seus cálculos mostraram as superposições de massa em um tipo teórico de buraco negro chamado Buraco negro BTZ ocupam faixas de massa surpreendentemente diferentes simultaneamente.

Normalmente, qualquer partícula comum pode existir em uma superposição de estados, com características como rotação ou momento determinado apenas quando se tornam parte de uma observação.

Onde algumas qualidades, como cargasó vem em unidades discretas, a massa normalmente não é quantizada, o que significa que a massa de uma partícula não observada pode estar em qualquer lugar dentro de uma faixa de talvez.

No entanto, como mostra esta investigação, a sobreposição de massas mantida por um buraco negro tende a favorecer algumas medidas em detrimento de outras, num padrão que poderia ser útil para modelar a massa de uma forma quantizada. Isto poderia dar-nos uma nova estrutura para sondar os efeitos gravitacionais quânticos dos buracos negros em superposição, a fim de aliviar a tensão entre a relatividade geral e a teoria quântica.

“Até agora, não investigamos profundamente se os buracos negros apresentam alguns dos comportamentos estranhos e maravilhosos da física quântica”, explica o físico teórico Joshua Foo da Universidade de Queensland, na Austrália.

“Um desses comportamentos é a superposição, onde partículas em escala quântica podem existir em vários estados ao mesmo tempo. Isso é mais comumente ilustrado pelo gato de Schrödinger, que pode estar vivo e morto simultaneamente.”

“Mas, para os buracos negros, queríamos ver se eles poderiam ter massas totalmente diferentes ao mesmo tempo, e descobrimos que eles têm. Imagine que você é largo e alto, bem como baixo e magro ao mesmo tempo – é uma situação intuitivamente confusa, uma vez que estamos ancorados no mundo da física tradicional. Mas esta é a realidade para os buracos negros quânticos.”

A extrema gravidade que rodeia os buracos negros é um excelente laboratório para sondar gravidade quântica – o contínuo contínuo do espaço-tempo de acordo com a teoria da relatividade geral aliada à teoria da mecânica quântica, que descreve o Universo físico em termos de quantidades discretas, como as partículas.

Modelos baseados em certos tipos de buracos negros podem levar a uma única teoria que explicaria as partículas e a gravidade. Alguns dos efeitos observados em torno de um buraco negro não podem ser descritos na relatividade geral, por exemplo. Para isso, precisamos da gravidade quântica – uma teoria unificada que incorpore ambos os conjuntos de regras e de alguma forma faça com que funcionem bem.

Assim, Foo e seus colegas desenvolveram uma estrutura matemática que permite efetivamente aos físicos observar uma partícula colocada fora de um buraco negro que está em estado de superposição quântica.

A massa foi a principal propriedade que investigaram, uma vez que a massa é uma das únicas propriedades dos buracos negros que podemos medir.

“Nosso trabalho mostra que as primeiras teorias de Jacob Bekenstein – um físico teórico americano e israelense que fez contribuições fundamentais para a fundação da termodinâmica dos buracos negros – estavam acertadas”, diz a física quântica Magdalena Zych da Universidade de Queensland.

“[Bekenstein] postulou que os buracos negros só podem ter massas com determinados valores, ou seja, devem estar dentro de certas faixas ou proporções – é assim que funcionam os níveis de energia de um átomo, por exemplo. A nossa modelação mostrou que estas massas sobrepostas estavam, de facto, em certas bandas ou proporções determinadas – como previsto por Bekenstein.

“Não assumimos qualquer padrão desse tipo, então o fato de termos encontrado essa evidência foi bastante surpreendente”.

Os resultados, dizem os pesquisadores, fornecem um caminho para investigações futuras de conceitos de gravidade quântica, como buracos negros quânticos e espaço-tempo sobreposto. Para desenvolver uma descrição completa da gravidade quântica, a inclusão desses conceitos é crucial.

A sua investigação também permite uma investigação mais detalhada desse espaço-tempo sobreposto e dos efeitos que tem nas partículas dentro dele.

“O Universo está nos revelando que é sempre mais estranho, misterioso e fascinante do que a maioria de nós jamais poderia ter imaginado.” Zych diz.

A pesquisa foi publicada em Cartas de revisão física.