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Cosmologia

Buracos negros adestrados

Físicos do Rio propõem experimento que pode ajudar a rever as leis básicas do universo

INSTITUTO DE ASTROFÍSICA DE CANÁRIASRepresentação de um buraco negro: em busca dos limites da gravidade e das sutilezas do universo INSTITUTO DE ASTROFÍSICA DE CANÁRIAS

Está pronta a receita para criar em laboratório uma das mais fascinantes estruturas cósmicas: os buracos negros, massas compactas gigantescas, provenientes do colapso de estrelas, com atração gravitacional tão intensa que absorve tudo ao seu redor, inclusive a luz. Com materiais relativamente simples – uma espécie de gerador de Van de Graaff, um dispositivo que gera energia estática e, quando tocado, deixa os cabelos arrepiados, e um tipo especial de plástico capaz de refletir a luz -, físicos do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), no Rio de Janeiro, garantem que os buracos negros, de acordo com uma proposta que eles próprios elaboraram, podem ser domesticados.

Não para sugarem matéria, mas para aprisionarem a luz e, por analogia, permitirem o entendimento mais detalhado de como funcionam os corpos cósmicos similares, cujas propriedades se tornam ainda mais difíceis de estudar por causa da distância a que se encontram – o buraco negro real mais próximo deve encontrar-se no centro da Via-Láctea, a cerca de 30 mil anos-luz da Terra.

A perspectiva de tornar os buracos negros tão amigáveis quanto um carro moderno é uma forma de rever as leis da física. Os processos que ocorrem no interior dessas estruturas são exemplos extremos de interações entre partículas elementares, praticamente impossíveis de serem visualizados em aceleradores de partículas, nos quais a atração gravitacional entre as partículas é desprezível. Daí se explica a corrida mundial para ver quem adestra primeiro os buracos negros e a estimativa é de que os resultados experimentais devem surgir num prazo máximo de cinco anos.

Em janeiro, o físico Ulf Leonhardt, da Universidade de Saint Andrews, no Reino Unido, divulgou na Nature sua proposta para a criação de um buraco negro artificial, fundamentada na chamada catástrofe quântica, uma forma de dispersão da luz que explica fenômenos mais triviais, como o arco-íris. Em uma proposta ainda mais recente, publicada eletronicamente em maio, William Unruh, da Universidade de Colúmbia Britânica, do Canadá, mostrou como fazer buracos negros sonoros, capazes de abocanhar ondas sonoras, que também mostrariam o poder desses objetos cósmicos.

Mas há quase quatro anos, em novembro de 1998, eram dois brasileiros, Mario Novello e José Salim, do Laboratório de Cosmologia e Física Experimental de Altas Energias (Lafex) do CBPF, que publicavam na Physical Review D uma proposta de criação de buracos negros artificiais do tipo eletromagnético e não-gravitacionais, capazes de absorver os fótons – partículas de luz – mais próximos. Em 2000, a receita dos brasileiros foi detalhada em outro artigo na Physical Review D – e há outro artigo em via de publicação, escrito em conjunto com pesquisadores da Universidade Federal de Itajubá, Minas Gerais.

Propostas distintas
“As pesquisas de Novello complementam meu trabalho e se ajustam com perfeição à excitante área de estudos dos buracos negros artificiais”, afirma Leonhardt. O pesquisador sueco compareceu a um seminário realizado no CBPF em outubro de 2000 e assistiu a uma palestra de Novello sobre os efeitos do vácuo quântico sobre o campo eletromagnético, que se mostrou decisiva para seu próprio trabalho. Vácuo quântico, longe de representar um simples vazio, é um espaço em que partículas subatômicas colidem, aparecem e desaparecem a todo momento.

Segundo Novello, as linguagens adotadas nas duas abordagens são diferentes: o sueco é físico do estado quântico da matéria, preocupado com o comportamento detalhado das estruturas atômicas, enquanto os brasileiros se atêm ao estudo do comportamento do fóton no vácuo quântico.

O experimento de Leonhardt envolve o uso de um gás ultrafrio ou cristal, que pode ficar transparente de acordo com o tipo de luz sobre ele lançado – é o que se chama de transparência eletromagneticamente induzida. Lançando sobre esse material quantidades diferentes de luz, é possível criar uma região não-transparente na parte central e regiões mais transparentes nas pontas. Outro raio de luz, ao incidir por dentro do material, vai se propagar e reduzir sua velocidade, até parar completamente quando a matéria estiver opaca. Essa região simula, em termos eletromagnéticos, o efeito do horizonte de eventos, o limite de um buraco negro, sobre o raio de luz.

“Prefiro a linguagem da estrutura de espaço-tempo, que permite uma reformulação mais profunda do que a simples trivialidade do processo de construção de um buraco negro”, afirma Novello. Espaço-tempo, essencialmente, é o meio em que ocorrem os eventos, além de constituir um dos conceitos-chave das Teoria da Relatividade Especial, formulada pelo físico alemão Albert Einstein (1879-1955) no início do século passado. Ao seguir por essa trilha, o grupo do CBPF indaga sobre os fundamentos da teoria da gravitação em seus aspectos geométricos, intocados por um século.

No projeto de um buraco negro, a equipe do CBPF explora as conseqüências das pesquisas sobre propagação das ondas luminosas realizadas por outro físico alemão, Werner Heisenberg (1901-1976), na década de 60. Normalmente, os fótons se propagam de modo linear, sem depender dos meios que atravessam, de acordo com os caminhos definidos pelas leis da gravitação universal, que valem para qualquer corpo no universo, das partículas atômicas às estrelas.

Comportamento anormal
Mas os estudos de Heisenberg indicaram que, em conseqüência das oscilações do vácuo quântico, quando variam a energia e outras propriedades de um campo elétrico, em um intervalo de tempo muito pequeno, os fótons se comportam de modo diferente: atuam sobre o meio que atravessam e o modificam; em contrapartida, o meio atua sobre o fóton, em uma espécie de interação. É o chamado comportamento não-linear, por meio do qual as partículas de luz detectam uma espécie de relevo adicional no terreno, denominada métrica efetiva, e distinguem esse relevo adicional do relevo da gravitação, definida como uma curvatura do espaço na Teoria da Relatividade.

“Além da curvatura do espaço provocada pela atração gravitacional, que segue leis universais, os fótons percebem uma curvatura adicional, suscitando uma nova geometria do mundo, complementar à descrita por Einstein”, esclarece Novello. “Essa curvatura adicional do espaço só é sentida pelos fótons, para os quais tudo se passa como se o espaço-tempo não fosse o mesmo. Aí está o pulo do gato dos pesquisadores brasileiros: “Se fótons em situações não-lineares levam a uma modificação adicional da geometria do mundo, é provável que uma dessas modificações imite um buraco negro”. A partir dessa conclusão, bastaria simular no laboratório as situações em que o fóton se comporta de forma anômala – ou não-linear, como dizem os físicos – e, tudo correndo bem, se chegará a uma aproximação de um buraco negro.

Uma das formas de observar a conduta excepcional dos fótons seria por meio de um aparato experimental com um fluido dielétrico – assim chamado por ser capaz de modificar a trajetória da luz. A própria água consegue desviar a luz: uma faca num copo com água parece quebrada porque a propagação de fótons no ar e na água se dá de forma diferente. Mas tanto na água quanto no vidro e nos cristais orgânicos, que também apresentam essa propriedade, a intensidade de sua ação não depende do valor do campo elétrico ao qual está submetido.

Revendo Einstein
O experimento, diferentemente, pressupõe um fluido dielétrico cuja resposta varie de acordo com a intensidade do campo elétrico aplicado – por essa razão chamado do tipo não-linear. Esse líquido viscoso – uma solução com polímeros polarizados (moléculas com dois pólos, um negativo e outro positivo) – faz a mesma coisa que a água com a faca, mas com a luz. Ainda é incerto o custo do protótipo que se deseja construir – depende das características dos materiais, a serem definidos por outro grupo de físicos, os experimentalistas.

Os físicos do Rio estão convencidos que a empreitada compensa porque com ela se poderia questionar efetivamente os pressupostos da Teoria da Relatividade, propostos por Einstein. Para o cientista alemão, o universo é um modelo de espaço curvo, e a curvatura é provocada pela massa dos astros. É como se pegássemos uma espuma de borracha bem macia, representando o universo, e em seu centro colocássemos uma bola de chumbo, que seria o Sol.

O peso da bola faz a espuma afundar e forma uma depressão ao seu redor. Pega-se agora uma bolinha menor, simbolizando a Terra. Se lançada na direção da bola de chumbo, a partir de uma certa distância vai se deslocar ao redor da bola de chumbo seguindo a linha da depressão por ela provocada. Para Einstein, é essa curvatura do espaço que explica a ação da gravidade. Para os físicos que desejam construir um buraco negro, pode haver muito mais sutilezas no universo.

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