Buraco negro de laser promete comunicações entre espaços-tempos

Com informações da Universidade de Hiroshima - 25/10/2021

Este experimento aparentemente simples permite simular o que acontece dentro de um buraco negro.
[Imagem: Haruna Katayama ]

Buraco negro de laser

As forças fundamentais da física governam a matéria que compõe o Universo, mas exatamente como essas forças atuam conjuntamente ainda não é totalmente compreendido pela ciência.

Por exemplo, a existência da radiação Hawking - a emissão de partículas pelos buracos negros - indica que a Teoria da Relatividade Geral, precisa em escalas astronômicas, deve em algum ponto se relacionar com Mecânica Quântica, precisa em escalas atômicas.

Mas observar diretamente a radiação Hawking de um buraco negro é quase impossível devido ao ruído de fundo do Universo, frustrando as tentativas de estudá-la para entender melhor como as forças interagem e como se integram em uma eventual "Teoria de Tudo"?

A pesquisadora Haruna Katayama, da Universidade de Hiroshima, no Japão, encontrou uma saída para estudar essa possível integração de teorias: Já que os físicos não podem ir até a radiação Hawking, a radiação Hawking deve ser trazida até eles.

Katayama idealizou um equivalente de um buraco negro feito em laboratório, um circuito que opera em regime quântico empregando um laser para criar um análogo de buraco negro. "Nós criamos uma teoria de circuito quântico de laser usando um análogo de buraco negro e um buraco branco como ressonador," disse Katayama.

Buracos brancos e buracos negros

Um buraco branco é um parceiro teórico de um buraco negro que emite luz e matéria em oposição igual à luz e à matéria que um buraco negro consome - você pode imaginá-lo como um buraco negro voltando no tempo.

A proposta de Katayama baseia-se em buracos negros de laser propostos anteriormente, mas introduz um material artificial que permite simular uma velocidade superluminal, um movimento mais rápido do que a luz, e explora o efeito Josephson para amplificar a radiação Hawking - o efeito Josephson descreve um fluxo contínuo de corrente que se propaga sem tensão.

No circuito elétrico idealizado por ela, um metamaterial foi projetado para permitir a velocidade superluminal abrangendo o espaço entre os horizontes de evento, que é de onde a radiação Hawking é emitida.

"A propriedade da velocidade superluminal é impossível em um meio normal estabelecido em um circuito comum," disse Katayama. "O elemento metamaterial torna possível para a radiação Hawking viajar para frente e para trás entre os horizontes, e o efeito Josephson desempenha um papel importante na amplificação da radiação Hawking através da conversão de modo nos horizontes, imitando o comportamento entre os buracos brancos e negros. "

Comunicação entre espaços-tempos

O circuito como um todo induz um sóliton, uma forma de onda localizada e autorreforçada que mantém a velocidade e a forma até que fatores externos colapsem o sistema.

"Ao contrário dos lasers de buraco negro propostos anteriormente, nossa versão tem uma cavidade buraco negro/buraco branco formada dentro de um único sóliton, onde a radiação Hawking é emitida do lado de fora do sóliton, para que possamos avaliá-la," detalhou Katayama.

A radiação Hawking é produzida como pares de partículas entrelaçadas, com uma dentro e outra fora do horizonte de eventos. De acordo com Katayama, a partícula entrelaçada observável carrega a "sombra" de sua partícula parceira, permitindo determinar matematicamente a correlação quântica entre as duas sem ser necessário observar ambas as partículas simultaneamente.

"A detecção desse entrelaçamento é indispensável para a confirmação da radiação Hawking," disse Katayama.

No entanto, Katayama adverte que a radiação Hawking de laboratório difere da radiação Hawking de um buraco negro verdadeiro devido à dispersão normal da luz no sistema experimental: Os componentes da luz se dividem em uma direção, como em um arco-íris; Se for possível controlar esses componentes, de forma que alguns possam reverter e se refletir de volta, a radiação Hawking feita em laboratório refletiria a mesma frequência positiva da radiação Hawking de um buraco negro verdadeiro.

Ela avisa que já está trabalhando nisso, tentando integrar essa dispersão para obter um resultado mais comparável entre o experimento de laboratório e o fenômeno real.

E ela tem grandes planos: "No futuro, gostaríamos de desenvolver este sistema para comunicação quântica entre espaços-tempos distintos usando a radiação Hawking," disse Katayama.

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