Estrelas mortas não emitem radiação
(johncarlosbaez.wordpress.com)- A nova alegação de que objetos massivos que não são buracos negros também emitem radiação Hawking (Hawking radiation) leva à conclusão de que uma estrela morta estática perderia massa e desapareceria, entrando em conflito com a teoria quântica de campos em espaço-tempo curvo existente
- Essa lógica tem a estrutura de que o campo gravitacional cria pares partícula-antipartícula e a radiação leva energia embora, mas fica em aberto por qual processo os prótons e nêutrons que compõem a estrela desaparecem
- Artigos de contestação avaliaram que o cálculo depende de uma aproximação grosseira e produz resultados errados até em problemas mais simples; o resultado de Ashtekar e Magnon, de 1975, mostra a estabilidade do vácuo em espaços-tempos estáticos
- Quando existe um campo de Killing (Killing field) tipo-tempo em todos os pontos, há simetria de translação temporal; nessa condição, é possível construir uma teoria quântica de campos que distingue partículas de antipartículas, e não ocorre criação espontânea de partículas
- Em um buraco negro de Schwarzschild, o campo de Killing deixa de ser tipo-tempo no horizonte de eventos, portanto a mesma lógica não pode ser aplicada; a alegação de radiação de estrelas mortas se parece mais com uma tentativa de reverter, com uma aproximação mais fraca, um problema resolvido há décadas
O ponto de partida da controvérsia: radiação Hawking de objetos que não são buracos negros
- Michael F. Wondrak, Walter D. van Suijlekom e Heino Falcke consideram, em Gravitational pair production and black hole evaporation, que aglomerados massivos de matéria que não são buracos negros também emitem radiação Hawking
- Em seguida, em um novo artigo, eles afirmam que até estrelas frias e mortas emitem radiação Hawking, podendo perder massa lentamente e, no fim, desaparecer
- Para que essa conclusão seja válida, seria preciso explicar como os prótons e nêutrons dentro da estrela desaparecem, o que entra em conflito com a conservação do número bariônico
- Os autores reconhecem a possibilidade de violação da conservação bariônica, mas não apresentam por qual processo isso ocorreria
- A estrutura restante é a seguinte: o campo gravitacional da estrela cria pares partícula-antipartícula; esses pares escapam como radiação; e, por conservação de energia, a estrela precisa perder massa
Onde isso entra em conflito com a física existente
- Se essa alegação estiver correta, ela derrubaria os cálculos existentes da teoria quântica de campos em espaço-tempo curvo segundo os quais um aglomerado estático de matéria não emite radiação Hawking
- Ao mesmo tempo, levaria à conclusão de que, para a teoria quântica de campos em espaço-tempo curvo ser consistente, a conservação do número bariônico teria de falhar
- No entanto, esses artigos quase não tiveram impacto na comunidade de física, e também surgiram artigos curtos de contestação
- Comment on “Gravitational pair production and black hole evaporation”, de Antonio Ferreiro, José Navarro-Salas e Silvia Pla, aponta que a aproximação usada produz resultados errados até em problemas mais simples
- Complex effective actions and gravitational pair creation, de E. T. Akhmedov, D. V. Diakonov e C. Schubert, também trata de problemas semelhantes
Estabilidade do vácuo em espaços-tempos estáticos
- O artigo de 1975 de Abhay Ashtekar e Anne Magnon, Quantum fields in curved space-times, mostra que, em espaços-tempos estáticos, é possível definir bem o estado de vácuo, e que esse vácuo é estável
- A frase central é a seguinte
- “Se o espaço-tempo de base admite um campo de Killing tipo-tempo em todos os pontos, o estado de vácuo é de fato estável, e fenômenos como criação espontânea de partículas não ocorrem”
- Dizer que existe um campo de Killing tipo-tempo em todos os pontos significa que o espaço-tempo tem simetria de translação temporal
- Ashtekar e Magnon também impõem as seguintes condições
- O espaço-tempo é globalmente hiperbólico (globally hyperbolic)
- A equação de onda para partículas de spin 0 com massa tem soluções suaves a partir de dados iniciais suaves
- Sob essas condições, é possível definir energia e dividir as soluções em soluções de frequência positiva e de frequência negativa
- Soluções de frequência positiva correspondem a partículas
- Soluções de frequência negativa correspondem a antipartículas
- Como resultado, é possível construir uma teoria quântica de campos com um vácuo que não decai, como no espaço-tempo de Minkowski
O mesmo resultado não se aplica diretamente a buracos negros
- A solução de Schwarzschild (Schwarzschild solution), que descreve um buraco negro estático, também tem um campo de Killing
- Mas esse campo de Killing deixa de ser tipo-tempo no horizonte de eventos, portanto o resultado de Ashtekar e Magnon não se aplica a buracos negros
- Uma explicação mais didática pode ser encontrada em Quantum Field Theory in Curved Spacetime and Black Hole Thermodynamics, de Robert Wald
- Em especial, a seção 4.3 trata da teoria quântica de campos em espaços-tempos estacionários (stationary spacetimes)
- A tese de doutorado de Valeria Michelle Carrión Álvarez, Loop Quantization versus Fock Quantization of p-Form Electromagnetism on Static Spacetimes, trata do caso do eletromagnetismo
- Ashtekar e Magnon, assim como Wald, concentram-se principalmente em campos escalares massivos para simplificar
Limites da cobertura científica e da revisão de artigos
- O artigo de Wondrak, van Suijlekom e Falcke foi publicado em uma revista de física prestigiada, mas levantou-se a possibilidade de que ele não tenha sido revisado por especialistas da área
- Mesmo no caso de um artigo de física publicado em uma revista conceituada, em vez de acreditar nele sem ressalvas, é preciso confirmá-lo com alguém que realmente entenda o tema ou com especialistas confiáveis
- Parte da cobertura científica acreditou em releases sem validação por especialistas e usou títulos do tipo “o universo acabará muito antes do esperado”
- O resultado de que o campo gravitacional de um objeto estático não cria pares partícula-antipartícula foi estabelecido rigorosamente há décadas, e o novo cálculo aproximado está mais próximo de uma forma muito mais improvisada do que os resultados existentes do que de lançar nova luz sobre o problema
1 comentários
Comentários do Hacker News
Claro que quem disse isso foi Gandalf. Antes de tentar refutar, quero lembrar que Gandalf é um mago que não precisa se preocupar com trivialidades como o contínuo espaço-tempo
P.S.: https://quoteinvestigator.com/2014/07/13/truth/
Em suma, a família de expressões que contrastam as velocidades de propagação da mentira e da verdade vem evoluindo há mais de 300 anos, e a frase escrita por Jonathan Swift em 1710 pode ser atribuída a ele com justiça. Só que nessa frase ainda não aparece a metáfora dos sapatos
Sem um poço gravitacional cuja velocidade de escape exceda a velocidade da luz, não entendo como a radiação Hawking ocorreria nesse cenário
Tanto a partícula virtual quanto a antipartícula sobreviveriam e logo desapareceriam, já que nenhuma das duas teria cruzado o horizonte de eventos
Até onde sei, não há uma forma correta e ao mesmo tempo intuitiva/não matemática de explicar isso, então comunicadores científicos costumam falar por aproximação de um jeito que pode induzir o público ao erro
O próprio Hawking disse: “pode-se imaginar, logo fora do horizonte de eventos, um par virtual formado por uma partícula de energia negativa e uma partícula de energia positiva. Essa imagem do mecanismo que causa a radiação térmica e a redução da área é apenas heurística e não deve ser tomada literalmente demais”
Será que a afirmação de que “a teoria quântica de campos em um espaço-tempo curvo só pode ser consistente quando o número bariônico não é conservado” ainda é realmente chocante hoje em dia? Fiquei com a impressão de que isso é uma conclusão que decorre logicamente da radiação de Hawking dos buracos negros
Eu achei que já tínhamos ficado chocados com isso há muito tempo e que agora já o aceitávamos. Os cálculos dos autores do artigo em questão podem estar errados, mas este post de blog, ao soltar uma frase dessas como se fosse uma verdade óbvia demais, não me passa uma boa impressão. Uma escrita emotiva do tipo “se você discorda, é burro” não combina com alguém cuja profissão é persuadir cientificamente
A Wikipedia[0] também cita Daniel Harlow, físico de gravidade quântica do MIT, dizendo que “a conservação do número bariônico não é consistente com a física da evaporação de buracos negros por meio da radiação de Hawking”
[0] https://en.m.wikipedia.org/wiki/Baryon_number
Além disso, é o John Baez. É alguém que conhece bem a própria área
Quanto ao ponto real da discussão, o motivo de isso ser chocante aqui é que ele afirma que o número bariônico não é conservado mesmo sem a intervenção de buracos negros
Em “Comment on ‘Gravitational Pair Production and Black Hole Evaporation’”, Antonio Ferreiro, José Navarro-Salas e Silvia Pla tratam das equações usadas por aquele artigo e propõem um método melhor do que usá-las daquela forma
Eles explicam que, “enquanto foi obtido na ordem mais baixa da expansão perturbativa, o procedimento padrão para obter o efeito Schwinger não perturbativo usando a aproximação de campo fraco é ressomar todos os termos”
Também dizem que o método do artigo criticado nem sequer lida corretamente com os casos que surgem em situações eletromagnéticas, e que, no caso gravitacional, é ainda mais difícil. É o mesmo conteúdo do que Baez disse, mas o artigo citado o apresenta em um tom e com um método muito mais técnicos
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.13...
Até agora, nenhum deles encontrou decaimento, e a conclusão é que a meia-vida do próton é de pelo menos 2,4E34 anos. https://en.wikipedia.org/wiki/Proton_decay#Experimental_evid...
Também vi um artigo antigo da Quanta Magazine que descreve um experimento usando um enorme tanque de água muito pura e muitos detectores. Não é preciso um buraco negro. https://www.quantamagazine.org/no-proton-decay-means-grand-u... (discussão no HN https://news.ycombinator.com/item?id=13201065)
Em relação ao discurso do tipo “é tão óbvio que quem não concorda é burro”, também há afirmações tão obviamente falsas que concordar com elas é que torna alguém burro. As pessoas continuam repetindo as bobagens de Penrose, mas, para aquilo funcionar, é necessário um infinito temporal não físico do tipo tempo
A explicação atual de divulgação científica, quase de ficção científica, é que alguém pode cair em um buraco negro e que, no horizonte de eventos, “nada de especial acontece”. Mas então, mais ou menos no parágrafo seguinte, dizem que um observador externo jamais conseguiria observar a vítima caindo
Dois observadores não podem chegar a conclusões diferentes em um problema desses. Para dizer isso, seria preciso acreditar que o universo em algum momento se divide e permite que os dois observadores discordem entre si, ou então abandonar a lógica, a consistência, os observadores e tudo o que se valoriza como físico
Se um observador externo não consegue observar a vítima caindo, então a vítima nunca cai. Essa é a realidade objetiva. O diagrama de Penrose dizer outra coisa se deve ao fato de incluir um tempo infinito não físico
Mesmo que um tempo infinito fosse “alcançável”, isso não é matematicamente sólido nem faz sentido físico; e, de qualquer modo, a radiação de Hawking existe, então isso não importa. A vida útil de um buraco negro é finita
Só há uma interpretação logicamente consistente e fisicamente sólida. Nada consegue realmente cair para dentro. Um objeto que se aproxima desacelera no referencial externo e, do ponto de vista desse objeto, o fluxo do tempo do buraco negro parece acelerar à medida que ele se aproxima do buraco negro. Portanto, a evaporação de Hawking também parece acelerar. Para manter a consistência com o observador externo, essa evaporação precisa ser rápida o bastante para que a vítima não alcance nenhuma superfície. Em vez disso, o buraco negro recua em relação a ela e evapora cada vez mais rápido
Modelos assim e modelos semelhantes podem conservar todos os números quânticos, porque não têm firewall, fronteira nem algo que “reinicialize” os campos quânticos. Tudo é contínuo e consistente, e os números quânticos também são conservados. Um observador externo vê exatamente o mesmo buraco negro que se espera hoje, e o buraco negro se comporta e evapora da mesma maneira
Sinto que ainda há algo no universo que estamos deixando passar, e que as teorias de grande unificação dos próximos 1 bilhão de anos também continuarão deixando passar
Discussão no HN na época:
Universe expected to decay in 10⁷⁸ years, much sooner than previously thought (phys.org) https://news.ycombinator.com/item?id=43961226 223 points, 5 days ago, 323 comments
Alguns dias atrás escrevi um comentário bem parecido aqui
https://news.ycombinator.com/item?id=43964524
Sim, aquele artigo não faz sentido. Não há muito mais a dizer. Servidores de preprints às vezes recebem textos do tipo que não passaria por revisão por pares. Lembram do “supercondutor” coreano de uns 2 anos atrás? A imprensa precisa tomar cuidado ao escrever sobre esse tipo de coisa
“Se eu fosse um jornalista de ciência escrevendo uma matéria sobre esse desenvolvimento supposedly chocante, teria mandado e-mails para alguns especialistas para confirmar se era real”
Com essa atitude, todo mundo teria passado a acreditar que a Terra é plana ou que o Sol gira em torno da Terra. Porque os especialistas da época também acreditavam errado nas duas coisas
O que esse problema mostra não é tanto que os autores originais eram burros, mas que muito conhecimento está preso em silos
Isso não é bom se o objetivo é avançar o conhecimento de todos. Seja lá o que esteja acontecendo na academia, não é bom que isso esteja falhando até entre áreas relativamente próximas
Não acho que eles fossem burros ou mal-intencionados, mas pode ter sido um tanto imprudente insistir num resultado tão inesperado sem buscar aconselhamento
1: https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_field_theory_in_curved...
Mas o mundo é complexo, e é fácil cometer erros fora da sua área central. O objetivo do processo científico é colocar os resultados diante dos olhos capazes de encontrar os erros. O post de blog linkado é um exemplo disso. Aí todo mundo briga ou ri, e o mundo continua girando. O sistema funcionou
O que esse processo não faz bem é filtrar ideias novas antes que as pessoas as transformem em manchetes. Isso certamente é ruim, mas não é de modo algum uma falha da academia. Os olhos funcionaram direito
Poderia ter sido corrigido. Dois anos depois, talvez ainda não estivessem girando em torno do mesmo ralo, mas continuam. Bastante típico e bastante tedioso
Com isso, alguém acaba trabalhando sozinho em algo sobre o qual outra pessoa poderia ter dito, meses ou anos antes: “tem um problema aqui”
Em termos de ciência, é parecido com polir intensamente um branch antes de abrir um pull request, só para ouvir: “há um vazamento de memória enorme aqui e, além disso, o que você quer já é feito usando outra API”
Não sei bem se existe uma solução em escala humana. O terreno da pesquisa é amplo demais para conectar todo mundo a todo mundo, garantir que todos que precisam de ajuda recebam contribuições valiosas e impedir que todos que podem ajudar fiquem soterrados em lixo meio cru. Isso mesmo assumindo que motivações e incentivos de pesquisa sejam puros de cima a baixo. Na analogia do pull request, também há coisas como spammers de CVE
Pelo menos, se as universidades abandonassem a vontade de transformar em press release, sem due diligence, qualquer coisa que pareça render cliques, talvez às vezes reduzissem o espetáculo público fora da academia, mas isso não resolveria o problema fundamental
Se você olhar a discussão original do artigo no HN[1], lá embaixo há um comentário de A_D_E_P_T explicando por que o artigo não faz sentido e apontando para uma das refutações mencionadas neste texto. Esse comentário foi negativado pelos leitores do HN. Sei disso porque, quando dei upvote nele alguns dias atrás, ele já aparecia em cinza
Então não são silos de conhecimento; é que pessoas comuns como nós só querem falar sobre o avanço mais recente sem olhar fundo demais. Porque, se olhar fundo, acaba a graça
[1] https://news.ycombinator.com/item?id=43961226
Existe uma forma fácil de entender por que um objeto com massa não emite radiação gravitacional? Dizem que um observador acelerado vê um mar de radiação térmica por algo chamado efeito Unruh
Se você está de pé sobre um planeta, está acelerando sob a gravidade; então você não veria radiação de Unruh? Isso tem relação com a radiação de Hawking?
Este detalhe me chamou a atenção
“No artigo de 1975, Ashtekar e Magnon também assumem que o espaço-tempo é globalmente hiperbólico”
A suposição moderna não é que o espaço-tempo seja globalmente plano?
Que o espaço seja plano não é uma suposição. A relatividade geral não especifica a curvatura espacial global, portanto também é possível que ela tenha curvatura global negativa ou positiva. Apenas não há evidências disso até agora
Em buracos negros, vejo que há essencialmente uma “perda de uma dimensão”. Para explicar o que isso significa, seria preciso uma discussão muito mais longa, então não vou tentar aqui.
Portanto, o arranjo de três quarks conhecido como “bárion” talvez se forme conforme o número de dimensões espaciais. Se 3 dimensões == 3 quarks, então bárions só surgem em 3 dimensões; quando a matéria chega ao horizonte de eventos, os quarks podem ser rasgados e rearranjados, tornando-se algo em que simplesmente não existe mais aquilo chamado bárion. Como em um espaço bidimensional, por exemplo.
Eu tendo a pensar que a “superfície” do horizonte de eventos é o lugar onde as leis são preservadas, e que a singularidade — ou talvez todo o interior do buraco negro — pode simplesmente nem existir.
Muitos pontos em que a relatividade “quebra” o espaço-tempo, isto é, problemas de infinitos e divisões por zero, poderiam ser resolvidos se considerarmos que uma dimensão desaparece. Por exemplo, a contração do comprimento comprime e elimina uma dimensão à velocidade da luz, e a dilatação do tempo também remove uma dimensão no horizonte de eventos ou à velocidade da luz.
Se isso pareceu parecido com o princípio holográfico, está certo. Do meu ponto de vista, as próprias equações de Lorentz expressam uma forma de transformar suavemente um espaço N-dimensional em um espaço de (N-1) dimensões. Isso acontece de uma maneira parecida com uma curva exponencial que alcança uma assíntota exatamente no ponto em que a dimensão é “perdida”.
Acho que a razão pela qual o “tempo” sempre parece uma dimensão especial em qualquer dimensionalidade é que ele é a dimensão “logo acima” ou “logo abaixo” na hierarquia dimensional. Por isso, na fórmula de distância do espaço de Minkowski, o “tempo” precisa ter sinal oposto (+/-) ao das outras dimensões; isso vale quer você trate o sinal do tempo como positivo ou negativo, isto é, qualquer que seja a convenção de assinatura da métrica.
Isso, é claro, significa que todo o nosso universo 4-dimensional é um espaço embutido em um espaço maior e, tecnicamente, também é uma espécie de “horizonte de eventos” do ponto de vista de dimensões superiores.