Os Antecedentes

A Teoria da Relatividade Geral (TRG) de Einstein é o instrumento teórico que nos permite decrever a estrutura do espaço e da matéria nele contida, em larga escala. Ela é basicamente uma descrição da gravitação universal, associando o conteúdo material do espaço com a sua geometria, responsável pelo movimento das galáxias e aglomerados galáticos. Na TRG o conteúdo de massa-energia em uma região do espaço-tempo deforma esse espaço.

Logo após a publicação de seu trabalho Einstein percebeu que suas equações de campo seriam apropriadas para descrever o universo como um todo. Sob a suposição de que o universo é homogêneo e isotrópico^† ele encontrou uma solução para suas equações que deveriam descrever, pelo menos grosso modo, o comportamente da matéria dentro do espaço. Surpreso ele verificou que não existiam soluções estáticas para suas equações. Ele tentou, por um tempo, forçar a existência desse universo estático introduzindo um termo que denominou de “Constante Cosmológica”^§, mas abandonou essas tentativas quando Hubble descobriu que as galáxias estão todas se afastando de nós, exceto algumas poucas que estão na nossa vizinhança^✠. Voltando no tempo essas galáxias estariam cada vez mais próximas, até estarem todos aglomeradas em um ponto muito denso e quente, a chamada singularidade inicial. Juntamente com as observações a TRG gerou o Modelo Cosmológico Padrão, conhecido como o modelo do Big Bang. Ela descreve como, partindo de uma explosão inicial monumental, o universo entrou em sua fase de inflacionária, um período de tempo em que ele se expandou rapidamente, aumentou muitas vezes de tamanho. O modelo é corroborado por diversas observações, como o afastamento da galáxias, a abundância dos elementos químicos, entre outras. Mas ele também apresenta perguntas e dificuldades. Entre elas: se, de fato, o universo teve início em uma gigantesca explosão ocorrida ha 13,7 bilhões de anos, o que provocou essa explosão? Ou, como uma explosão caótica pode ter gerado um universo bem organizado, relativamente homogêneo e isotrópico?

Mais tarde , após o fim da Primeira Guerra Mundial, o físico alemão Schwarzschild encontrou uma solução para as equações de Einstein para o caso de uma concentração esférica de massa, como ocorre com as estrelas. Com essa solução foi possível prever que estrelas com muita massa podem colapsar em regiões muito pequenas e quentes que hoje denominamos buracos negros, BNs. Isso pode acontecer, por exemplo, quando o combustível nuclear se esgota em uma estrela e seu material, atraído pela força gravitacional, colapsa até que regiões de densidade muito altas sejam formadas (teoricamente densidades infinitas), o que rompe a estrutura do espaço-tempo e forma buracos negros. Além da singularidade central do BN também existe o horizonte de eventos, uma região em torno da singularidade de onde nenhum objeto, nem a luz, pode escapar. As soluções de Schwarzschild, inicialmente para estrelas sem rotação, logo foram extendidas para o caso de estrelas que giram, uma situação mais realista. Estrelas com muita massa e com rotação geram BNs rotatórios.

Um pouco depois da apresentação da TRG outra teoria surgiu para revolucionar o ambiente da física, a Mecânica Quântica (MQ). Essa teoria é importante na descrição de objetos pequenos, nas escalas atômicas e nucleares, e é necessária para a explicação de muitos fenômenos observados, como a interação entre radiação e matéria e propriedades dos materiais. Ela é usada, por exemplo, para a descoberta de quais elementos existem nas estrelas, no meio interestelar, inclusive sua temperatura e movimentação. A MQ é a principal teoria por trás da eletrônica moderna.

Tanto a TRG quanto o MQ são teorias, internamente coerentes e verificadas pela experimentação e observação. Elas não são meras hipóteses. No entanto, e apesar de seu sucesso, elas não são coerentes entre si. Não existe uma teoria da gravitação quântica apesar dos muitos esforços que vêm sendo realizados nesse sentido. Apesar do estado incompleto em que se encontram as teorias no presente, existem situações onde elas devem ser aplicadas juntas. Um exemplo são os próprios buracos negros e as partículas que paricipam de sua formação. Outro está bem ilustrado na teoria de Stephen Hawking que considerou o que acontece quando um par de partículas se forma nas vizinhanças do horizonte de eventos de um buraco negro, quando uma delas pode ser absorvida pelo BN e a outras escapar para o espaço ambiente.

A Hipótese

Uma hipótese cosmológica interessante, apesar de altamente especulativa, surgiu no contexto das tentativas de unificação da relatividade geral com a mecânica quântica, e da exploração das implicações cosmológicas dos buracos negros. Este é o conceito de que nosso universo poderia estar dentro de um BN, de que o nosso Big Bang estaria associado à formação da singularidade existente em um universo “pai” ou de dimensão superior. A hipótese foi denominada de Cosmologia de Buracos Negros (Black Hole Cosmology), alternativamente por Cosmologia de Schwarzschild.

O conceito não foi elaborado em um momento específico nem houve um cientista que possa ser chamado de “criador” da hipótese. Pelo contrário, ele foi surgindo aos poucos e explorado por vários físicos. Uma linha do tempo pode ser listada sobre sua origem e desenvolvimento:

• Roger Penrose e Stephen Hawking realizaram trabalhos importantes sobre os “teoremas de singularidade”, nas décadas de 1960 e 1970. Eles não fizeram referências diretas de que nosso universo poderia estar dentro de um buraco negro, mas seus trabalhos forneceram a base matemática para entender as condições extremas que poderiam existir em buracos negros e no Big Bang.
• A ideia foi proposta e ganhou alguma atenção na década de 1970 quando físicos como John Archibald Wheeler e Bryce DeWitt estavam explorando as implicações da gravitação quântica e a natureza das singularidades. Wheeler foi um dos primeiros a considerar a possibilidade de que buracos negros poderiam ter conexões com a criação de universos.
• Um dos proponentes mais conhecidos da hipótese foi o físico teórico Nikodem Popławski que, em 2010, publicou um artigo com a sugestão de que o Big Bang poderia ser o resultado do colapso de matéria em um buraco negro em um universo de dimensão superior. Popławski propôs que a singularidade no centro de um buraco negro poderia ser uma “ponte” para um novo universo, uma ideia que ele chamou de “cosmologia do buraco de minhoca” (wormholes).
• Lee Smolin, em seu livro “The Life of the Cosmos” (1992), propôs a hipótese da “seleção natural cosmológica”, na qual inúmeros universos poderiam “nascer” dentro de buracos negros, com leis físicas ligeiramente diferentes. Aqueles com as condições favoráveis para a geração de um novo universo prosperariam com tais, em uma espécie de “evolução” de universos ao longo do tempo.
• Roger Penrose e Stephen Hawking realizaram trabalhos importantes sobre os “teoremas de singularidade”, nas décadas de 1960 e 1970. Eles não fizeram referências diretas de que nosso universo poderia estar dentro de um buraco negro, mas seus trabalhos forneceram a base matemática para entender as condições extremas que poderiam existir em buracos negros e no Big Bang.
• O conceito ganhou corpo e amplo reconhecimento com o trabalho do físico teórico Nikodem Popławski que, em 2010, publicou um artigo com a sugestão de que o Big Bang poderia ser o resultado do colapso de matéria em um buraco negro em um universo de dimensão superior. Popławski propôs que a singularidade no centro de um buraco negro poderia ser uma “ponte” para um novo universo, uma ideia que ele chamou de “cosmologia do buraco de minhoca” (wormholes).
• À partir de 2022, o Telescópio Espacial James Webb (JWST) passou a coletar observações que exigem a reconstrução de nossas noções sobre o universo primitivo. Entre elas está a verificação de que predominam galáxias que giram em um sentido, em restrição a outro. Como discutiremos, isso reforça a hipótese de que nosso próprio universo esteja dentro de um buraco negro.

A Hipótese se fundamenta sobre os seguintes conceitos:

• Tanto o Big Bang quanto o centro de um buraco negro são descritos como singularidades, regiões do espaço-tempo onde a densidade da matéria se torna muito elevada em volume pequeno, na medida em que se formam. As altas temperaturas, e portanto a densidade de energia ultrapassam os níveis que podem ser seguramente descritos pela física atual. Em um buraco negro, a singularidade é o ponto de densidade infinita no núcleo. No Big Bang, a singularidade representa o início do universo, com densidade e temperatura infinitas.
• Um buraco negro é cercado por um horizonte de eventos, uma fronteira além da qual nada pode escapar, nem mesmo a luz. Alguns teóricos propõem que o Big Bang estaria associado a seu próprio “horizonte de eventos” dentro do qual o universo se expande.
• Quando uma estrela massiva colapsa para formar um buraco negro, ela cria uma singularidade, em seu núcleo. A hipótese sugere que essa singularidade poderia não ser inativa mas, em vez disso, poderia levar à criação de um novo universo em expansão, como o nosso.
• A física dos BNs e a cosmologia são áreas onde a TRG e a MQ entram em conflito. Essa hipótese surge no contexto das tentativas de unir essas duas teorias, sugerindo que o colapso de um buraco negro em um universo poderia gerar um novo universo com suas próprias leis físicas.

A ideia é baseada no “raio de Schwarzschild”, também chamado de “horizonte de eventos”, uma região limite além da qual nada pode escapar do buraco negro. Ne caso o horizonte de eventos do nosso Universo poderia ser equivalente ao limite de um buraco negro dentro de um “Universo pai”. Além disso cada buraco negro em nosso próprio universo poderia ser uma porta de entrada para um “Universo bebê”. Esses Universos seriam invisíveis para nós, pois estariam separados por seus próprios horizontes de eventos, tornando impossível a troca de informações entre eles. Segundo Poplawski os BNs não se tornam singularidades infinitamente densas e sim pontos de transição para novas realidades.

Com essa descrição fica claro que essa é uma hipótese fortemente especulativa, apesar de interessante. Ela nasce exatamente no setor desconhecido da interface da TRG e da MQ. Por muito tempo se apresentou a crítica de que não existem observações que sustentem diretamente essa hipótese. Teremos mais a dizer sobre isso abaixo. Além disso a complexidade matemática envolvida é grande, exatamente porque requer uma descrição da interface entre TRG e MQ, algo que ainda não foi alcançado. As singularidades são regiões do espaço-tempo onde as leis da física conhecidas não se aplicam e, portanto, não está nada claro como elas poderiam gerar um novo universo.

Uma nota técnica (pode ser pulada em uma primeira leitura): O físico teórico Nikodem Popławski trabalhou com teoricas alternativas para a Relatividade Geral, em particular a gravitação com torção (ou teoria de Einstein-Cartan). Ele fez contribuições para a cosmologia e à física de buracos negros, e mostrou que na teoria de Einstein-Cartan a singularidade central em um buraco negro pode ser substituída por uma “ponte de Einstein-Rosen” (um tipo de buraco de minhoca) que levaria a outro universo. A torção do espaço-tempo, prevista na teoria de Einstein-Cartan, evitaria a formação de uma singularidade clássica. As pontes de Einstein-Rosen, propostas pela primeira vez por Albert Einstein e Nathan Rosen em 1935, são também conhecidas como buracos de minhoca e são soluções teóricas para as equações da relatividade geral que sugerem a existência de “conexões” no espaço-tempo ligando duas regiões distantes do universo ou até mesmo universos diferentes, no caso de teorias de universos múltiplos.Na relatividade geral clássica, a singularidade no centro de um buraco negro é um ponto de densidade infinita onde as leis da física não podem ser aplicadas.

No panorama teórico da gravitação com torção o colapso gravitacional de uma estrela massiva não resultaria em uma singularidade, mas em uma região de transição para outro universo. Ao invés de uma ruptura com o próprio conceito de espaço-tempo, a inserção da torção (um conceito da teoria de Einstein-Cartan), a singularidade pode ser evitada, substituída por uma região de transição suave.Popławski explorou a ideia de que o Big Bang (a explosão que resultou em nosso universo) poderia ter resultar do colapso de matéria em um buraco negro em outro universo. Embora todos esses conceitos sejam especulativos e não comprovados pela observação, eles geraram interesse e discussão na comunidade científica. A teoria de Einstein-Cartan é matematicamente consistente mas não amplamente adotada pela comunidade que prefere se ater à relatividade geral clássica. A ausência de informações sobre o que ocorre no interio dos BNs torna difícil testar essas hipóteses.

A torção é um termo que pode ser naturalmente inserido nas equações de Einstein, sem romper com nenhuma das pressuposições normais da teoria. Ela é uma medida da assimetria na conexão do espaço-tempo e descreve como o espaço-tempo pode se “torcer” além de se curvar. Enquanto a curvatura do espaço-tempo (descrita pela TRG) associa a gravidade à distribuição de matéria e energia, a torção insere o momento angular intrínseco (spin) das partículas como fonte de deformação.

Universo Holográfico

O conceito do universo holográfico é uma hipótese que sugere que o universo pode ser entendido como um holograma. Mais especificamente ela afirma que toda a informação contida em um volume de espaço pode ser representada por um modelo registrado na fronteira desse espaço. O conceito está baseado em áreas como a teoria (que é uma hipótese) das cordas, a gravidade quântica e o princípio holográfico.

A hipótese foi proposta inicialmente por Gerard ‘t Hooft e desenvolvida mais tarde por Leonard Susskind, entre outros. Em 1997 Juan Maldacena sugeriu que um universo dotado de campo gravitacional (como ocorre no nosso) em um espaço de dimensões superiores (com dimensões acima das 4 dimenensões de nosso espaço-tempo) pode ser equivalente a uma teoria de campo quântico sem gravidade em uma superfície de dimensão inferior.

O princípio holográfico afirma que toda a informação contida em um volume do espaço pode ser codificada em sua fronteira, tendo, portanto, uma dimensão menor que a do espaço original. Portanto, no nosso caso, apesar de parecer tridimensional (+ 1 dimensão de tempo) pode ser descrito por uma teoria física em uma superfície bidimensional. Dessa forma ele promove uma redução dimensional, importante em um contexto da física onde diversos modelos foram propostos propondo um número mais elevado de dimensões.

O princípio holográfico oferece uma abordagem promissora para unificar a mecânica quântica e a relatividade geral, dois pilares da física moderna que ainda não foram completamente integrados. Ela também tem implicações para a física dos buracos negros, sugerindo que a informação sobre a matéria que cai em um buraco negro não é perdida, mas sim codificada em sua superfície (o horizonte de eventos).

O universo holográfico é um conceito muito interessante, com consequências importantes em nosso entendimento do cosmos. No entanto ele ainda enfrenta grandes desafios conceituais e matemáticos, além de que não existem evidências diretas que a sustentem. Ele continua a ser uma área ativa de pesquisa na física teórica.

Observações Recentes

Desde que iniciou sua operação em 2022, o Telescópio Espacial James Webb (JWST, da NASA) têm coletando inúmeras observações que desafiam nossas noções sobre o Universo primitivo. Recentemente surgiram observações que sugerem o inesperado: a possibilidade de que o próprio Universo esteja dentro de um buraco negro.

Muitas observações verificaram que a maioria das galáxias distantes giram na mesma direção. Em um universo aleatório seria esperado que metade (aproximadamente) das galáxias giram em uma direção, outra metade em outra, dado um sentido arbitrário. A observação, no entanto, mostra que aproximadamente dois terços deles giram em um sentido, enquanto as demais giram no sentido oposto. A observação é surpreendente e demanda uma explicação, pois sugere que o próprio universo teve uma origem em rotação, o que favoreceria a existência de um número superior de galáxias girando nessa mesma direção.

Estrelas em rotação, se colapsadas e por conservação do momento angular, formam buracos negros em rotação. Isso seria compatível com a especulação de que universos são formados dentro dos BNs rotatórios.

Explicação Alternativa

A hipótese de que o Universo esteja dentro de um buraco negro é muito interessante e pode abrir caminho para novas decobertas fabulosas. No entanto existe uma explicação alternativa para os dados do JWST. Alguns pesquisadores se lembraram que a Via Láctea, nossa galáxia, está também em rotação. Já se pensou que a rotação de nossa galáxia fosse muito lenta, insuficiente para afetar as observações de objetos distante. Entretanto, a observação indica que a galáxia gira com velocidade angular significativa, de forma que, talvez, seja necessário recalibrar os instrumentos que medem distâncias no cosmos. Uma recalibração afetaria nossa compreensão de fenômenos fundamentais, como a taxa de expansão do Universo e a idade de galáxias distantes. Algumas indicações existem sugerindo que esse seja de fato o caso, tal como a verificação de que foram detectadas galáxias que parecem ser mais antigas que o próprio Universo.

Conclusões

Podemos concluir que a hipótese do Universo de Buraco Negro é uma especulação teórica que serve como um exercício intelectual para explorar as conexões entre buracos negros, singularidades e a origem do universo. O estudo desse tópico pode contribuir para a formulação de uma teoria consistente dos domínios do universo com altas densidades de matéria e energia, portanto curvaturas extremas, existam em regiões tão pequenas que exigiriam uma descrição quântica. Em outras palavras, ele poderia ajudar para o estabelecimento de uma teoria quântica da gravitação. Como uma hipótese física ela deve oferecer métodos de ser submetida ao teste da expeimentação ou observação (mais comum na astrofísica). Se passar nos testes propostos ela se torna uma teoria que, por sua vez, deve ser capaz de realizar previsões sobre o que se pode encontrar no universo.

Supondo que as descobertas do JWST realmente apontam para um padrão de rotação das galáxias suporte o conceito da Cosmologia de Buraco Negro, pode ser necessário um reajuste completo dos conceitos atuais de Cosmologia Padrão. Se buracos negros podem dar origem a novos universos seremos forçados a aceitar um modelo de universo cíclico, onde novos cosmos emergem continuamente, muito diferente do atual modelo aceito de um universo que tem uma origem bem definida, embora seu destino final não seja bem definido.

Bibliografia

Videos

Vídeos em inglês. Clique em “Closed Caption” para legendas.

Ciência Todo Dia: Nós estamos dentro de um buraco negro?

Brian Cox: Is The Whole Universe Inside a Black Hole?

PBS Space Time: Could The Universe Be Inside A Black Hole?

Space Dust: Do We Live Inside A Black Hole?

Artigos de Divulgação na Internet

• Afshordi, N.; Mann, R.; Pourhasan, R., Scientific American: The Black Hole That Birthed the Big Bang.
• Flavia Correia, Olhar Digital: Could the universe be trapped inside a black hole?.
• Discover: JWST Findings May Suggest Our Universe Exists Inside a Black Hole.
• Live Science: Could Earth be inside a Black Hole?.
• Science and Nature: Our Universe May Have Emerged from a Black Hole in a Higher Dimensional Universe.
• Grunge: The Astonishing Scientific Theory That Says The Universe Might Be Inside A Black Hole.
• SciTechDaily: Our Universe May Have Emerged from a Black Hole in a Higher Dimensional Universe
• Phys.Org: The black hole at the birth of the Universe.

todos as páginas visitadas em março de 2025.

Trabalhos Acadêmicos Relevantes

• Nikodem Popławski: Cosmology with torsion: An alternative to cosmic inflation.
  Popławski propõe que o Big Bang pode ter sido o resultado de uma singularidade em um buraco negro em um universo de dimensão superior. Este trabalho é uma das bases teóricas para a hipótese de que nosso universo está dentro de um buraco negro.
• Lee Smolin: The life of the cosmos.
  Smolin explora a ideia de que buracos negros podem dar origem a novos universos, uma teoria conhecida como “seleção natural cosmológica”. Embora não seja exatamente a mesma hipótese, está relacionada.
• Roger Penrose: Cyclic Cosmology and Conformal Infinity.
  Penrose discute a possibilidade de universos cíclicos e como buracos negros podem desempenhar um papel na criação de novos universos.
• Stephen Hawking e James Hartle: Wave Function of the Universe.
  Este trabalho clássico explora a natureza quântica do universo e como singularidades de buracos negros podem estar relacionadas à origem do cosmos.

Livros Recomendados

• Leonard Susskind: The Black Hole War.
  Discute o princípio holográfico e a física de buracos negros, fundamentais para entender a hipótese de universos dentro de buracos negros.
• Roger Penrose: Cycles of Time.
  Explora a ideia de universos cíclicos e como buracos negros podem estar conectados à criação de novos universos.
• Michael Talbot: The Holographic Universe.
  Aborda o princípio holográfico e como ele pode ser aplicado à cosmologia, incluindo a ideia de que nosso universo poderia ser uma projeção de um buraco negro.

Conceitos relacionados

Esses tópicos estão intimamente ligados à hipótese de que nosso universo poderia estar dentro de um buraco negro:

• Singularidades de buracos negros e o Big Bang,
• Princípio holográfico,
• Gravidade quântica em loop,
• Multiverso e dimensões superiores,
• Teoria das cordas e branas

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