Radiação de Hawking ou como Buracos negros morrem

Em 1975 Stephen Hawking, o genial físico e cosmólogo, publicou uma descoberta revolucionária: Buracos negros não são completamente negros. Segundo os seus cálculos, buracos negros deviam radiar a uma determinada temperatura, temperatura esta que variaria inversamente com a sua massa. Isto significava que, a certa altura, todos os buracos negros iriam irradiar completamente e desparecer.

Isto era completamente contra o pensamento da altura. Era quase lei que buracos negros eram eternos, e que a sua massa não podia senão aumentar.

Campos Quânticos

Para explicar como é que buracos negros irradiam, primeiro temos de perceber o que é um campo quântico. Não se assustem com o nome "quântico", é simples.

Primeiro que tudo, um campo normal (em física, claro) é só uma região no espaço onde cada ponto tem um dado valor para uma propriedade. Imaginem uma onda sonora a propagar-se numa sala; cada ponto da sala tem um dado valor para a intensidade dessa onda.

Um campo quântico é parecido; a diferença é que há um valor mínimo (diferente de zero) que cada ponto pode tomar. E qualquer valor superior a esse mínimo tem de lhe ser um múltiplo. A outra coisa que diferencia um campo quântico de um campo normal é que no vácuo, a energia de um campo quântico está sempre a variar. Isto pode ser interpretado como pares de partículas- antipartículas virtuais que aparecem no mesmo momento que desaparecem, pois anulam-se quase instantaneamente (embora não seja exatamente assim que funciona, como vamos ver já a seguir). Porque é que isto ocorre? Porque física quântica é estranha (há uma resposta concreta, mas esta irá merecer um artigo no futuro).

Variação da energia de um campo quântico ao longo do tempo. Esta energia está sempre a "flutuar", nunca se fixando num valor exato.

Como é que radiação de Hawking funciona; duas explicações

Segundo o ponto de vista popular, radiação de hawking funciona assim: quando um par partícula-

antipartícula aparece perto do horizonte de eventos de um buraco negro, uma partícula cai lá dentro e a outra consegue escapar, tornando-se numa partícula de verdade (faz lembrar o Pinóquio não é?). Como a energia desta partícula não pode vir de lado nenhum, o buraco negro perde a energia correspondente á da partícula. Embora esta seja uma analogia bastante boa, é ligeiramente diferente da realidade.

Como funciona na realidade

Na verdade não é exatamente correto dizer que num campo quântico pares de partícula- antipartícula estão sempre a aparecer e desaparecer; não são partículas mas sim ondas com frequências inversas (uma negativa, outra positiva).

Stephen Hawking questionou-se sobre o que aconteceria a um campo quântico deste tipo, que se estende infinitamente no futuro e no passado, quando um buraco negro está por perto. (na imagem á esquerda esse campo quântico é representado pela linha e o horizonte de eventos pela linha tracejada). Ora, o problema é que ninguém na altura (nem hoje em dia) consegue saber isto exatamente, pois ainda não temos uma chamada teoria de tudo (o porquê de ainda não a termos também irá ser explorado num futuro próximo), que explicaria como é que estes campos funcionam em espaço-tempo curvado pela gravidade.

Por falta desta teoria de tudo, Hawking usou um atalho chamado "transformações de Bogoliubov" (parece um trava-línguas, eu sei). Estas tratam espaço tempo curvado como pequenas secções de espaço plano (da mesma maneira que o paint trata círculos como pequenas secções de linhas retas), onde sabemos como os campos quânticos funcionam.

Mas este atalho é manhoso (como a maioria dos atalhos), pois não há apenas uma interpretação de como é que funciona. Mas contas feitas algumas destas frequências são engolidas pelo buraco negro, e o restante campo quântico vai ser constituído pelas frequências não engolidas; para um observador longínquo isto parecem ondas com um comprimento de onda do tamanho do raio do buraco negro, que saem deste e levam consigo alguma da sua energia.

Analogia vs realidade

Logo, qual é a diferença desta explicação para a analogia pop? Enquanto na analogia a radiação vem da separação de um par virtual partícula- antipartícula, onde uma delas se torna uma partícula real, na realidade isto funciona com ondas. No entanto há problemas mais graves; na analogia, radiação é localizada, isto é, enquanto na analogia partículas saem de pontos específicos do Buraco Negro, na realidade as ondas que saem do buraco negro são tão grandes que saem do buraco negro global. Isto significa que para um observador próximo e em queda para um Buraco Negro não vê radiação, só observadores distantes a veem (embora observar esta radiação não seja nada fácil, como vamos ver no próximo artigo).

Agradeço sinceramente que tenham aguentado esta viagem sobre radiação de hawking (pode não parecer, mas acreditem que me esforcei muito por a tornar simples). Mas ainda há muito por explorar sobre radiação de Hawking, e esta vai continuar nos próximos artigos).