Scientists work on the boundaries of the unknown, where every new piece of knowledge forms a path into a void of uncertainty. And nothing is more uncertain– or potentially enlightening– than a paradox. Throughout history, paradoxes have threatened to undermine everything we know, and just as often, they’ve reshaped our understanding of the world. Today, one of the biggest paradoxes in the universe threatens to unravel the fields of general relativity and quantum mechanics: the black hole information paradox.
Os cientistas trabalham nas fronteiras do desconhecido onde cada novo conhecimento abre caminho num vazio de incerteza. Não há nada mais incerto — ou potencialmente esclarecedor — do que um paradoxo. Ao longo de toda a história, os paradoxos têm desafiado a certeza do nosso conhecimento. Frequentemente, reformulam a nossa perceção do mundo. Hoje, um dos maiores paradoxos do universo ameaça decifrar os campos da relatividade geral e da mecânica quântica:
To understand this paradox, we first need to define what we mean by "information." Typically, the information we talk about is visible to the naked eye. For example, this kind of information tells us that an apple is red, round, and shiny. But physicists are more concerned with quantum information. This refers to the quantum properties of all the particles that make up that apple, such as their position, velocity and spin. Every object in the universe is composed of particles with unique quantum properties.
o Paradoxo da Informação em Buracos Negros. Para perceber este paradoxo, precisamos de definir primeiro o que entendemos por "informação". Habitualmente, a informação de que falamos é visível a olho nu. Por exemplo, este tipo de informação revelam que uma maçã é vermelha, redonda e lustrosa. Mas os físicos estão mais preocupados com a informação quântica, ou seja, as propriedades quânticas de todas as partículas que constituem a maçã, tais como a sua posição, velocidade e rotação. Todos os objetos no universo são formados por partículas com propriedades quânticas.
This idea is evoked most significantly in a vital law of physics: the total amount of quantum information in the Universe must be conserved. Even if you destroy an object beyond recognition, its quantum information is never permanently deleted. And theoretically, knowledge of that information would allow us to recreate the object from its particle components. Conservation of information isn’t just an arbitrary rule, but a mathematical necessity, upon which much of modern science is built. But around black holes, those foundations get shaken.
Este conceito está expresso numa lei fundamental da Física: "A quantidade total da informação quântica no universo tem de ser conservada". Mesmo que destruamos um objeto até ele ficar irreconhecível, a sua informação quântica nunca desaparece de forma permanente. Teoricamente, o conhecimento dessa informação permite-nos recriar o objeto a partir das partículas que o compõem. A conservação da informação não é uma regra arbitrária, mas uma necessidade matemática, sobre a qual está construída grande parte da ciência moderna.
When an apple enters a black hole, it seems as though it leaves the universe, and all its quantum information becomes irretrievably lost. However, this doesn’t immediately break the laws of physics. The information is out of sight, but it might still exist within the black hole’s mysterious void. Alternatively, some theories suggest that information doesn’t even make it inside the black hole at all. Seen from outside, it’s as if the apple’s quantum information is encoded on the surface layer of the black hole, called the event horizon. As the black hole’s mass increases, the surface of the event horizon increases as well. So it’s possible that as a black hole swallows an object, it also grows large enough to conserve the object’s quantum information. But whether information is conserved inside the black hole or on its surface, the laws of physics remain intact– until you account for Hawking Radiation.
Mas, em volta dos buracos negros, esses fundamentos ficam baralhados. Quando uma maçã entra num buraco negro, parece que desaparece do universo, e toda a sua informação quântica perde-se irrecuperavelmente. Contudo, esse fenómeno não viola as leis da Física. A informação desaparece da vista, mas pode continuar a existir no vazio misterioso do buraco negro. Em alternativa, há teorias que sugerem que a informação nem sequer entra no buraco negro. Visto do exterior, é como se a informação quântica da maçã ficasse codificada na camada superficial do buraco negro, chamada o "horizonte de eventos". À medida que a massa do buraco negro aumenta, a superfície do horizonte de eventos também aumenta. Assim, é possível que, quando um buraco negro engole um objeto, também cresça o suficiente para conservar a informação quântica do objeto. Mas quer a informação se conserve dentro do buraco negro ou na sua superfície, as leis da Física mantêm-se intactas — até aparecerem as Radiações de Hawking.
Discovered by Stephen Hawking in 1974, this phenomenon shows that black holes are gradually evaporating. Over incredibly long periods of time black holes lose mass as they shed particles away from their event horizons. Critically, it seems as though the evaporating particles are unrelated to the information the black hole encodes– suggesting that a black hole and all the quantum information it contains could be completely erased.
Descoberto por Stephen Hawking, em 1974, este fenómeno mostra que os buracos negros vão-se evaporando gradualmente. Ao longo de períodos de tempo incrivelmente longos, os buracos negros perdem massa à medida que libertam partículas dos seus horizontes de eventos. Dá a ideia de que as partículas evaporadas não estão relacionadas com a informação que o buraco negro codifica — sugerindo que um buraco negro e toda a informação quântica que contém podem desaparecer totalmente.
Does that quantum information truly disappear? If not, where does it go? While the evaporation process would take an incredibly long time, the questions it raises for physics are far more urgent. The destruction of information would force us to rewrite some of our most fundamental scientific paradigms. But fortunately, in science, every paradox is an opportunity for new discoveries.
Esta informação quântica desaparecerá realmente? Se assim não é, para onde vai? Embora o processo de evaporação possa demorar um tempo imenso, as questões que coloca para a Física são muito mais urgentes. A destruição da informação forçar-nos-á a reescrever alguns dos nossos paradigmas científicos mais fundamentais. Mas, felizmente, em ciência, cada paradoxo é uma oportunidade para novas descobertas.
Researchers are investigating a broad range of possible solutions to the Information Paradox. Some have theorized that information actually is encoded in the escaping radiation, in some way we can’t yet understand. Others have suggested the paradox is just a misunderstanding of how general relativity and quantum field theory interact. Respectively, these two theories describe the largest and smallest physical phenomena, and they’re notoriously difficult to combine. Some researchers argue that a solution to this and many other paradoxes will come naturally with a “unified theory of everything.” But perhaps the most mind-bending theory to come from exploring this paradox is the holographic principle. Expanding on the idea that the 2D surface of an event horizon can store quantum information, this principle suggests that the very boundary of the observable universe is also a 2D surface encoded with information about real, 3D objects. If this is true, it’s possible that reality as we know it is just a holographic projection of that information.
Os investigadores estão a investigar uma ampla série de soluções possíveis para o paradoxo da informação. Alguns defendem a teoria de que a informação está codificada nas radiações que escapam de uma forma que ainda não entendemos. Outros sugerem que o paradoxo é apenas uma má interpretação de como a relatividade geral e a teoria do campo quântico interagem. Cada uma destas teorias descreve os fenómenos físicos maiores e os mais pequenos e são notoriamente difíceis de combinar. Alguns investigadores argumentam que uma solução para este e muitos outros paradoxos aparecerá naturalmente com uma "teoria unificada de tudo". Mas talvez a teoria mais complexa que surge da exploração deste paradoxo seja o princípio holográfico. A partir da ideia de que a superfície 2D de um horizonte de eventos pode armazenar informação quântica, este princípio sugere que o limite do universo observável também é uma superfície 2D codificada com informação sobre objetos reais de 3D. Se isto for verdade, é possível que a realidade, tal como a conhecemos, seja apenas uma projeção holográfica dessa informação.
If proven, any of these theories would open up new questions to explore, while still preserving our current models of the universe. But it’s also possible that those models are wrong! Either way, this paradox has already helped us take another step into the unknown.
Se provada, qualquer destas teorias abrirão novas questões para explorar, embora preservando os nossos atuais modelos do universo. Mas também é possível que esses modelos estejam errados! Seja como for, este paradoxo já nos ajudou a dar mais um passo até ao desconhecido.