Os buracos negros têm uma forma complexa. No interior, a gravidade existe em três dimensões. Mas os buracos negros também estão conectados a partículas externas e campos magnéticos que só existem em duas dimensões. Então, como um buraco negro pode existir em duas dimensões e três dimensões ao mesmo tempo?
Os cientistas dizem que há um fenômeno matemático em ação aqui, chamado de “teoria da dualidade holográfica”. Juan Maldacena, físico teórico argentino, descobriu o conceito em 1997, que afirma que eventos dentro de um espaço com gravidade (como um buraco negro) são matematicamente equivalentes a eventos livres de gravidade na superfície desse espaço que envolvem partículas. A informação é do portal PopularMechanics.
Em outras palavras, a teoria da dualidade holográfica poderia manter o elo secreto entre a física de partículas – o estudo das minúsculas partículas que compõem toda a matéria – e a teoria da relatividade geral de Einstein, que afirma que a gravidade surge da curvatura do espaço e do tempo. Em uma nova pesquisa, publicada no mês passado na revista PRX Quantum, cientistas da Universidade de Michigan procuram apoio para essa teoria da dualidade holográfica dentro dos buracos negros. Para entender, temos que revisar uma matemática bastante simples e depois aplicar a ciência.
Pense no cálculo básico. Existem linhas, que são representadas por x e y. Depois, há curvas, representadas por x² e y². E se aumentarmos essas variáveis em mais uma potência, teremos superfícies e formas tridimensionais. A relação entre as dimensões é fundamental para o cálculo, assim como a relação do finito ao infinito.
Como isso se relaciona com os buracos negros? Bem, uma expressão da teoria das cordas (uma estrutura teórica na física onde partículas pontuais são substituídas por objetos unidimensionais chamados cordas) e a teoria quântica visa unificar os aspectos bi e tridimensionais do mundo real como uma forma de ajudar a calcular e compreender certos fenômenos complexos. Os resultados podem casar o modelo padrão da física de partículas e a teoria da relatividade geral, trazendo-nos um círculo completo: isso é dualidade holográfica.
A Universidade de Michigan explica em um comunicado de imprensa:
Para visualizar isso, pense novamente no buraco negro, que distorce o espaço-tempo por causa de sua imensa massa. A gravidade do buraco negro, que existe em três dimensões, se conecta matematicamente às partículas que dançam acima dele, em duas dimensões. Portanto, um buraco negro existe em um espaço tridimensional, mas o vemos projetado através de partículas. Alguns cientistas teorizam que todo o nosso universo é uma projeção holográfica de partículas, e isso pode levar a uma teoria quântica consistente da gravidade.
Em outras palavras, ideias que não se coordenam bem quando tudo é tridimensional podem funcionar melhor quando coisas como buracos negros são calculados em duas dimensões. Isso pode transformar um buraco negro tridimensional sem “partículas” padrão em uma ideia bidimensional que pode ser medida usando partículas.
“Na teoria da Relatividade Geral de Einstein, não há partículas – há apenas espaço-tempo. E no Modelo Padrão da física de partículas, não há gravidade, existem apenas partículas”, diz o físico da Universidade de Michigan, Enrico Rinaldi, no comunicado. “Conectar as duas teorias diferentes é uma questão de longa data na física – algo que as pessoas tentam fazer desde o século passado.”
A teoria das cordas é um caminho que os cientistas estão buscando unificar os dois modelos díspares do nosso universo. Na teoria das cordas, partículas como átomos são representadas por “cordas” unidimensionais que são, por sua vez, compiladas em enormes matrizes bidimensionais. (Uma matriz, em ciências e matemática, é uma matriz n por n de números ou valores.)
Então, juntando as peças, o que temos é uma grade bidimensional de valores ponderados que descrevem a superfície do buraco negro que se encontra abaixo. E a partir daí, os cientistas podem usar ideias matemáticas para explorar a grade numérica da mesma forma que fariam com qualquer outra coisa. Nesse caso, eles usaram operadores quânticos, chamados qubits, e uma rede neural em execução para identificar o estado de menor energia de um determinado modelo de matriz.
Os cientistas esperam que os modelos de matriz, que descrevem como um tipo de buraco negro poderia parecer por dentro, ajudem a lançar “luz”, por assim dizer, no horizonte de eventos desses buracos negros especiais – e além. “O que está no horizonte de eventos para um buraco negro? De onde isso vem? Responder a essas perguntas seria um passo para realizar uma teoria quântica da gravidade”, explica Rinaldi.
