Uma fibra ótica recria o horizonte de um buraco negro e mostra como surge a radiação de Hawking

Durante décadas, os buracos negros foram descritos como regiões das quais nada conseguia escapar. No entanto, Stephen Hawking demonstrou que os efeitos quânticos permitem uma emissão extremamente fraca, capaz de fazer com que estes objetos percam energia e se evaporem com enorme lentidão.

É impossível observar essa radiação no espaço, porque seria demasiado fraca em comparação com outras fontes cósmicas. Por isso, os físicos constroem sistemas análogos que, embora não reproduzam um buraco negro, reproduzem as equações que regem o comportamento junto ao seu horizonte de eventos.

O trabalho foi liderado por Lorenzo Procopio e Ulf Leonhardt, com a participação de Raúl Agüero-Santacruz e David Bermudez, investigadores do Cinvestav no México. Embora os seus resultados não criem gravidade real nem uma singularidade, oferecem um laboratório controlado para estudar fenómenos equivalentes.

Este avanço também não demonstra que a informação absorvida por um buraco negro possa ser recuperada, mas a sua importância reside em mostrar como uma emissão semelhante à de Hawking pode surgir através de uma interação simples e como essa mesma emissão altera o sistema que a gera.

Radiação de Hawking e evaporação dos buracos negros

A radiação de Hawking liga três áreas fundamentais da física:

1. A gravidade
2. A mecânica quântica
3. A termodinâmica.

Teoricamente, um buraco negro obtém a energia necessária do seu próprio campo gravitacional, o que o leva a perder massa gradualmente.

A imagem popular de duas partículas que surgem exatamente no horizonte, uma que cai e outra que escapa, é apenas uma simplificação. Uma descrição mais precisa recorre aos chamados "modos de frequência" (positivo e negativo), relacionados pela geometria e pelas propriedades quânticas.

Num buraco negro astrofísico, a radiação esperada seria espontânea e resultaria de flutuações quânticas. Na experiência ótica, foi utilizado um sinal externo para estimular o processo, de modo a reproduzir várias características da radiação, embora dentro de um regime energético controlado.

O estudo não constitui uma deteção astronómica da radiação de Hawking nem uma observação completa da sua versão quântica. Consiste apenas em isolar um mecanismo elementar que antes era interpretado como uma sequência mais complexa de interações óticas.

Fibra ótica, paradoxos e entrelaçamento

Um dos maiores dilemas da física moderna é o paradoxo da informação. Se um buraco negro se evapora, não sabemos o que acontece aos dados da matéria que cai no seu interior. A mecânica quântica determina que a informação nunca deve ser destruída, desafiando a visão clássica da relatividade.

A experiência lança luz sobre esta questão através do estudo do entrelaçamento quântico entre partículas. Os resultados sugerem que a informação não se perde para sempre, mas permanece codificada na radiação emitida, permitindo recuperar vestígios do que foi absorvido.

Para construir o análogo, os investigadores enviaram impulsos laser ultracurtos através de uma fibra de cristal fotónico. Nessa fibra, o índice de refração era modificado, criando uma perturbação que alterava a velocidade a que outras ondas luminosas se podiam propagar.

Quando um sinal fraco coincidiu com a perturbação, surgiu o equivalente óptico de um horizonte. A interação produziu frequências negativas no ultravioleta, em torno dos 233 nanómetros, tal como previsto pelo modelo. Essas componentes representam o equivalente óptico dos pares associados a Hawking.

A retroação, a informação e o futuro

A análise revelou que a emissão não precisava de resultar de uma longa cascata de fenómenos; bastava uma interação direta entre o pulso de bombeamento e o sinal de teste para gerar simultaneamente as coincidências. Essa identificação constitui um dos resultados centrais do trabalho publicado na Nature.

A mesma interação que gerou o sinal também redistribuiu parte da energia do pulso para outras frequências. Essa resposta é a retroação, ou seja, o equivalente experimental à forma como a radiação emitida altera o campo que a alimenta e, num buraco negro, reduz progressivamente a sua massa.

Para estudar o entrelaçamento quântico e o reaparecimento da informação, será necessário substituir a luz clássica por estados não clássicos, como fotões individuais, capazes de revelar correlações quânticas entre os modos que formam cada par produzido.

Apesar das limitações, o resultado oferece um caminho concreto para compreender a evaporação a partir de níveis microscópicos; se se tentarem processos equivalentes em campos gravitacionais reais, poderíamos compreender como os buracos negros irradiam e, eventualmente, resolver o paradoxo da informação.