Cosmologia

The time: spring 1984. The place: a lecture hall at the University of Cambridge.

estudantes lotam os assentos. Em frente ao quadro-negro, um palco sobe um pé acima do piso do corredor. No palco, um homem numa cadeira de rodas fala num murmúrio a um estudante graduado. O estudante tem óculos vermelhos coloridos e está a usar um casaco macio e de cor creme., Murmur, murmur, murmur. O estudante: “o Professor Hawking diz, ‘Esta palestra é sobre a borda do universo. Murmur, murmur, murmur. “A borda do universo está muito longe.”Murmur, murmur. “No entanto, ainda podemos imaginá-lo da seguinte forma…” o estudante desenha um diagrama no quadro. A palestra continua, murmuração Hawking, e o estudante traduzindo. O tema é complexo, mas o fluxo é claro. Hawking é um palestrante excepcional, e porque tudo é dito duas vezes, uma em murmúrio e uma em Tradução, há tempo extra para pensar.,

a ocasião é o Seminário de Stephen Hawking sobre a gravidade quântica, e ele está falando sobre seu último trabalho. O público está arrebatado e Hawking está animado. Ele está impaciente para que o estudante termine cada tradução, e enquanto o estudante está falando e escrevendo no conselho, Hawking fidgets. Confinado por uma doença degenerativa motor-neurona, ele só pode mover seus dedos, que ele está usando para mudar seu lado cadeira de rodas para lado – dzzt, dzzt – como o estudante fala – dzzt, dzzt. Cada vez que ele se move de lado para lado, no entanto, ele também se move imperceptivelmente para trás., Meia hora depois da palestra, Um grande acidente quebra o feitiço. A cadeira de rodas de Hawking cai da borda do palco e está deitada de costas no chão. Os pés de Hawking balançam no ar e os alunos saltam para a direita da cadeira. Ele é amarrotado em um ângulo estranho, tremendo violentamente. Ele está a morrer? Não, ele está a rir. Murmur, murmur, murmur. “O Professor Hawking diz:’ caiu da borda do universo. Hawking levou uma vida completa, apesar de sua doença, e seu trabalho científico inspirou gerações de estudantes a estudar problemas de gravidade e mecânica quântica., Nas semanas que se seguiram à sua morte, em 14 de Março, muitos dos seus colegas escreveram sobre a sua notável vida e trabalho. Este artigo irá tocar em algumas de suas principais realizações científicas – em particular, seu trabalho sobre gravidade clássica e singularidades, seus famosos resultados sobre termodinâmica de Buraco Negro e radiação Hawking, e seus esforços para quantizar a gravidade.

fora da singularidade

quando jovem, Hawking trabalhou na relatividade geral, investigando o problema de como os buracos negros se formam., Seu domínio dos métodos geométricos lhe permitiu provar um conjunto de teoremas notáveis sobre as circunstâncias sob as quais as nuvens ondulantes de matéria sofrem colapso gravitacional, dando origem a singularidades gravitacionais. Trabalhando junto com Roger Penrose, que havia investigado problemas similares, Hawking produziu um notável artigo em 1970 intitulado “The singularities of gravitational collapse and cosmology” (Proc. Roy. Soc. Lond. A 314 529).

neste trabalho, ele e Penrose mostrou que “razoável” espaço–tempo exibem ambas as singularidades no futuro (final singularidade em um universo fechado, ou singularidades presentes em buracos negros) e singularidades no passado (o Big Bang)., Aqui, “razoável” significa que o espaço–tempo não possui irregularidades causais – tais como curvas de tempo fechado-e a matéria obedece a uma forte condição de energia, de modo que a presença de matéria foca geodésica vizinha (as linhas mais curtas entre pontos em uma superfície curva) para o outro. os teoremas de singularidade de Penrose–Hawking fornecem fortes evidências para a formação necessária de buracos negros em nosso universo., É uma previsão que tenha sido confirmada tanto por evidências observacionais de galactic fontes de raios-X, como Cygnus X-1, e pelos recentes e espetaculares descobertas da Interferómetro Laser Gravitacional-Wave Observatory (LIGO), que detectou as ondas gravitacionais emitidas pela colisão de buracos negros.o próximo grande trabalho de Hawking foi seu mais famoso. Seus teoremas de singularidade implicaram que a área do horizonte de eventos de um buraco negro aumenta quando mais matéria e energia é adicionada ao buraco, e nunca deve diminuir., Consequentemente, Hawking e colegas observaram que a área do horizonte era análoga à entropia na Segunda Lei da termodinâmica: de acordo com a qual a entropia não diminui, e tende a aumentar. Baseando-se nas ideias de Hawking, Jacob Bekenstein conjecturou que a área do horizonte de eventos era de fato igual à entropia do buraco negro, até uma constante multiplicativa. mas agora há um problema. Sistemas termodinâmicos com entropia S (e) em função da energia e também devem possuir uma temperatura, definida por 1/kBT = ∂s/∂E. Mas qual é a temperatura de um buraco negro?, Afinal de contas, é preto e, pelo menos classicamente, nenhuma radiação pode escapar dele.

Out of the black hole

in 1974 Hawking solved the problem of black-hole temperature in spectacular fashion., Aplicando os métodos da teoria do campo quântico no espaço–tempo curvo para o buraco-negro geometria, Hawking foi capaz de mostrar que os buracos negros se comportam como corpos negros, que emitem radiação térmica, com uma temperatura ħk/2nkB (onde ± é a constante de Planck dividida por 2π e κ é a gravidade da superfície do furo), correspondente a um buraco-negro entropia igual a um quarto da área do horizonte, medido em unidades de Planck. A concepção básica de Hawking do problema era simples e brilhante.

relatividade geral é sobre a reconciliação de diferentes percepções do universo., A relatividade especial concilia as percepções dos observadores que se movem a velocidades diferentes, mas todos percebem que a velocidade da luz é a mesma. A relatividade geral concilia as percepções de diferentes observadores que escolhem atribuir diferentes sistemas de coordenadas a eventos em um espaço–tempo curvado. Uma vez que a mecânica quântica é lançada na mistura, uma característica notável Surge: observadores inerciais e observadores acelerados têm uma percepção completamente diferente do Estado de vácuo – o estado sem partículas., O vácuo, estado sem partículas para um observador inercial é percebido por um observador acelerado como contendo uma mistura térmica de partículas.

In quantum field theory, the vacuum is not empty – it bubbles with virtual particle–antiparticle pairs. Um observador inercial vê esses pares virtuais surgirem e depois desaparecem novamente antes que possam ser detectados., Em contraste, o detector de partículas de um observador acelerado irá detectar uma mistura térmica de partículas – o detector acelerado efetivamente fornece a energia e momento necessários para criar partículas reais a partir de partículas virtuais. o princípio de equivalência de Einstein afirma que a aceleração fornecida por um foguete, por exemplo, não pode ser distinguida da aceleração fornecida por um campo gravitacional. Consequentemente, campos gravitacionais podem criar partículas., Em um argumento elegante baseado na teoria quântica de campos em um espaço-tempo de Buraco Negro, Hawking foi capaz de mostrar que o campo gravitacional do buraco negro cria uma mistura térmica de partículas emanando do horizonte do buraco negro. Na vizinhança do horizonte, pares virtuais de partículas–antipartícula com energias entrelaçadas ±e são “promovidos” em pares reais de partículas–antipartículas de saída com energia e emparelhados com antipartículas com energia –E. Uma vez que a energia dos elementos que caem no buraco negro é negativa, a massa do buraco negro diminui. O buraco negro irradia., a descoberta de Hawking de que os buracos negros não eram realmente Negros atordoou a comunidade de físicos. Seus cálculos foram confirmados por uma variedade de abordagens alternativas, que mostraram que a radiação Hawking era uma característica onipresente do espaço–tempo com horizontes, incluindo o espaço de Sitter, e o espaço–tempo como visto por um observador acelerado.

O resultado também estimulou o interesse na teoria do entrelaçamento quântico. A radiação Hawking consiste de um estado enredado de matéria, no qual partículas de saída com energia +e são enredadas com partículas de enchimento com energia-E., A entropia da radiação Hawking pode então ser identificada com a entropia do buraco negro, onde o número de bits de entrelaçamento é proporcional à área do horizonte de eventos.

a radiação Hawking é considerada pelos físicos como o único resultado verdadeiramente confiável que realmente possuímos sobre a mecânica quântica e a gravidade., Muitos outros resultados o seguiram, notavelmente trabalho em campos supersimétricos da gravidade quântica, e a correspondência da teoria do espaço/campo conforme (AdS/CFT)-uma conexão notável entre o comportamento dos campos gravitacionais em um espaço – tempo e os campos quânticos na fronteira espaço–tempo–bem como trabalho para derivar a relatividade geral das leis da área. No entanto, parece seguro dizer que a radiação Hawking é o único resultado na mecânica quântica e na gravidade que é aceito por toda a comunidade de físicos trabalhando sobre o assunto., muitas questões em aberto sobre a radiação Hawking permanecem. A radiação contém a informação que entrou no buraco negro à medida que se formou, mas de alguma forma baralhada? Durante décadas, Hawking disse que não-aparentemente não há nenhuma maneira para a informação dentro do buraco para sair, pelo menos sob as leis comuns da mecânica quântica sobre o espaço–tempo curvado. Se as leis subjacentes da mecânica quântica são preservação de informação, como sugerido, por exemplo, pela correspondência AdS/CFT, então evaporação de Buraco Negro é em si um processo de preservação de informação.,

Quase certo de escapar de um buraco negro

Mais recentemente, no entanto, Hawking afirmou que ele acreditava que a informação seria, na verdade, escapar de um evaporação do buraco negro, assim, buscar uma aposta feita com John Preskill sobre o assunto. Ele passou a declarar que sua declaração de que a informação não escapou de um buraco negro foi o seu “maior erro”., Na ausência de uma teoria quântica universalmente aceita, auto-consistente da gravidade, ou de evidências empíricas para a natureza preservadora da Informação da evaporação do buraco negro, no entanto, a questão de como ou se a informação escapa dos buracos negros deve permanecer aberta.,

Quântica, cosmologia

Na década de 1980, Hawking passou a fazer o trabalho seminal sobre o quantum a cosmologia: o seu trabalho com Jim Hartle e com os outros em teoria quântica de universos sem limite representa um conceitualmente convincente método para se aproximar do perenemente difícil problemas de mecânica quântica e a história do universo como um todo. Desta abordagem Hawking e colaboradores foram capazes de obter resultados úteis e sugestivos sobre cosmologia quântica e inflação cosmológica.,

a abordagem sem limites levou ao que Hawking havia anteriormente chamado de seu “maior erro”, até que ele decidiu que declarar que a informação não escapou de um buraco negro era pior. Ao usar a técnica para derivar uma função de onda para o universo que era simétrica no tempo, Hawking declarou que um universo que se expandiu e então se contraiu sofreria uma inversão de tempo exata durante a fase de contração. Raymond LaFlamme e Don Page foram rapidamente capazes de mostrar a Hawking que nada do tipo precisa ocorrer., A função de onda que Hawking tinha obtido foi uma superposição quântica de duas cosmologias, uma começando de um estado de baixa ou zero entropia e expandindo enquanto a Entropia aumentava, e a segunda sendo a mesma cosmologia que a primeira, mas com o tempo t substituído por –T., Se a seta do tempo dentro de um universo a ser atribuído pelos habitantes, no entanto, os habitantes de ambos os universos provavelmente teria um voto para atribuir a direção do aumento de tempo na direção do aumento de entropia, de modo que, segundo a cosmologia seria experimentada por seus habitantes como sendo o mesmo que o primeiro, em vez de ir para trás no tempo.

Dancing to the music of time

Após a publicação de seu livro Uma Breve História do Tempo em 1988, e o atendente merecida fama, Hawking tinha menos tempo para se dedicar exclusivamente à física, mas ele continuou a vir para cima com o romance provocativo e ideias de toda a sua carreira. A sua doença obrigou-o a levar as coisas devagar, a pensar nas coisas com grande rigor antes de As apresentar. Mas essa abordagem lenta serviu-lhe bem.,the scene: a dinner in Mazagon, Spain, at a workshop on the physics of time asymmetry, organized by Jonathan Halliwell, Juan Perez-Mercader and Wojciech Zurek. Hawking está sentado com um monte de estudantes e pós-doutoramentos, muito lentamente comendo um bife muito grande que foi cortado em pedaços muito pequenos. Todos estão discutindo a excursão de conferência que acabou de terminar, que foi para um clube de flamenco em Sevilha. As pessoas estavam perguntando a Stephen como ele tinha acabado dançando com o mais talentoso dançarino de flamenco lá. Depois a conversa passou para a física, gravidade quântica e assim por diante., Hawking estava trabalhando nas teclas de seu sintetizador de voz, e, cinco minutos depois, com um brilho em seus olhos, nos informou: “eu escolho minhas cadeiras de rodas para sua…dançabilidade.”

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