Oppenheimer, o pai da bomba atômica, também foi o pai dos buracos negros?

Ciência

O físico teórico conduziu pesquisas sobre buracos negros antes de sua descoberta.

Antes de se tornar “o pai da bomba atômica”, J. Robert Oppenheimer fez uma contribuição significativa para a ciência dos buracos negros.

Oppenheimer será para sempre, para o bem ou para o mal, associado ao incrível poder destrutivo da bomba atômica e à imagem da nuvem em forma de cogumelo, um símbolo quase bíblico de destruição. Essa associação só se fortalecerá aos olhos do público com o lançamento do filme “Oppenheimer” em 21 de julho, a aguardada cinebiografia de Christopher Nolan sobre o físico.

Mas antes de viajar para Los Alamos, Novo México, em 1942, para contribuir com o desenvolvimento da bomba atômica, Oppenheimer era um físico teórico com foco na física quântica.

Em 1939, ele e seu colega da Universidade da Califórnia, Berkeley, Hartland S. Snyder, publicaram um artigo pioneiro intitulado “On Continued Gravitational Contraction”, que usava as equações da teoria da gravidade de Albert Einstein, a relatividade geral, para mostrar como os buracos negros poderiam nascer.

“Oppenheimer propôs o primeiro modelo de colapso para descrever como uma estrela poderia entrar em colapso em um buraco negro”, disse Xavier Calmet, professor de física da Universidade de Sussex, na Inglaterra, ao Space.com. “Este modelo explica a formação de buracos negros como um processo astrofísico dinâmico, o estágio final da evolução de estrelas suficientemente pesadas. Este modelo ainda está sendo usado hoje.”

Oppenheimer e Albert Einstein em rara foto juntos.

Calmet disse que ele próprio usou recentemente o modelo, em um artigo descrevendo o colapso de buracos negros ao considerar a gravidade quântica.

“Este modelo é muito significativo porque pode ser resolvido analiticamente – resolver as equações pode ser feito com caneta e papel e não requer trabalho numérico. Toda a física é, portanto, facilmente rastreável”, disse ele. “No entanto, apesar de sua simplicidade e talvez até grosseria, é complexo o suficiente para descrever muitas das características de uma estrela em colapso.”

Ironicamente, enquanto Oppenheimer e Snyder trabalhavam no artigo, que dependia tanto da teoria da relatividade geral de 1915, o pai dessa teoria, Einsten, estava concluindo pesquisas destinadas a mostrar que os buracos negros não poderiam existir.

A história mostraria que Oppenheimer estava certo sobre os buracos negros, é claro.

Oppenheimer extrapola o limite

Oito anos antes da teoria de Oppenheimer sobre o colapso das estrelas e o nascimento do buraco negro, outro físico teórico estava pensando sobre o que acontece quando as estrelas ficam sem combustível para a fusão nuclear.

Quando esse combustível se esgota, uma estrela não pode mais se sustentar contra o colapso gravitacional. Enquanto as camadas externas da estrela são eliminadas, seu núcleo se contrai rapidamente, deixando um remanescente estelar exótico. A natureza do remanescente depende da massa do núcleo estelar.

O físico indiano-americano Subrahmanyan Chandrasekhar percebeu que, para núcleos estelares com uma massa menor que 1,4 vezes a do sol, o colapso gravitacional seria interrompido devido a efeitos quânticos que impedem que as partículas se “comprimam” muito próximas umas das outras.

Isso viria a ser conhecido como o limite de Chandrasekhar, e qualquer estrela abaixo dele – a menos que tenha uma companheira estelar alimentando-a com material – está condenada a terminar sua existência como um remanescente estelar fumegante chamado anã branca. Esse será o destino de nossa estrela, o sol, depois de esgotar o hidrogênio em seu núcleo em cerca de 5 bilhões de anos.

Estrela anã branca / Conceito artístico

Para núcleos estelares pelo menos 1,4 vezes mais massivos que o Sol, há pressão suficiente e, portanto, calor gerado durante o colapso gravitacional para que novos surtos de fusão nuclear possam ser desencadeados, com o hélio criado pela fusão do próprio hidrogênio forjando elementos mais pesados como nitrogênio, oxigênio e carbono.

As estrelas mais massivas passam por uma série desses colapsos e surtos de fusão nuclear. Mas Oppenheimer e seus alunos queriam saber aonde leva esse caminho de colapso gravitacional e, portanto, qual é o estado final das maiores estrelas do universo.

Essa resposta já havia sido dada por um físico alemão em 1916. Oppenheimer só precisava descobrir como chegar lá.

Os dois nascimentos de buracos negros

Em 1915, enquanto servia no front com o exército alemão durante a Primeira Guerra Mundial, o astrônomo Karl Schwarzschild pôs as mãos em uma cópia da teoria da relatividade geral de Einstein. Surpreendentemente, e para choque de Einstein, sob essas condições incrivelmente duras, Schwarzschild conseguiu calcular uma solução matemática exata para as equações de campo da relatividade geral.

Nessas soluções espreitam duas coisas perturbadoras – lugares conhecidos como “singularidades” onde a física como a conhecemos se decompõe completamente. Essas singularidades indicavam a existência de objetos com gravidade tão intensa que podiam “engolir” a luz.

Uma das singularidades foi considerada uma singularidade coordenada, que poderia ser removida com uma pequena manipulação matemática inteligente. Essa singularidade coordenada viria a ser conhecida como raio de Schwarzschild – o ponto no qual a gravidade de um corpo se torna tão grande que a velocidade necessária para escapar de suas garras é maior que a velocidade da luz.

Essa superfície de captura de luz unidirecional é chamada de “horizonte de eventos” e representa o limite externo do buraco negro.

Ilustração de um buraco negro e horizonte de eventos

A outra singularidade, a verdadeira ou singularidade gravitacional, não poderia ser tratada matematicamente. Nada poderia lidar com isto, então foi, e ainda é, o ponto em que a física se decompõe completamente – o coração do buraco negro.

Esse foi o nascimento teórico do conceito de buraco negro, mas não dizia nada sobre a criação desses titãs cósmicos – apenas que eles poderiam existir.

Enquanto Einstein trabalhava em 1939 para destruir essa singularidade gravitacional e, portanto, o conceito de buraco negro, Oppenheimer investigava como tais objetos poderiam vir a existir.

Trabalhando com suposições simples que negligenciam os efeitos quânticos e não consideram a rotação, Oppenheimer colocou Snyder para trabalhar. E isso valeu a pena quando o último pesquisador descobriu que o que parece acontecer com uma estrela em colapso depende do ponto de vista do observador.

Snyder teorizou que, a alguma distância da estrela em colapso, a luz de uma fonte próxima ao horizonte de eventos teria seu comprimento de onda esticado pela gravidade, um processo chamado redshift, tornando-se cada vez mais vermelho.

Ao mesmo tempo, a frequência dessa luz está sendo reduzida do ponto de vista do observador. Essa redução de frequência continua até que, para o observador distante, a luz esteja efetivamente “congelada”.

Oppenheimer e colaboradores perceberam que a história é bem diferente para um observador infeliz o suficiente para cair na superfície de uma estrela em colapso. Um observador nesta posição cairia além do horizonte de eventos sem perceber nada significativo sobre isso.

É claro que, na realidade, um observador seria “espaguetizado” por intensas forças de maré causadas pela diferença na atração gravitacional na parte superior e inferior do corpo. Isso os mataria antes de atingirem o horizonte de eventos, pelo menos para buracos negros menores, nos quais o raio de Schwarzschild está próximo da singularidade gravitacional.

Uma ilustração da NASA de um buraco negro, com o coração negro como breu circundado pelo horizonte de eventos. (Crédito da imagem: Goddard Space Flight Center da NASA / plano de fundo, ESA/Gaia/DPAC)

Este conceito foi inicialmente referido como uma “estrela congelada” devido ao aparente congelamento da luz no horizonte de eventos. Não receberia seu nome mais familiar e rápido até 1967, quando o físico da Universidade de Princeton, John Wheeler, cunhou o termo “buraco negro” durante uma palestra.

Oppenheimer e seus colegas podem ter seguido um caminho diferente de Schwarzschild, mas ainda assim as duas equipes de físicos chegaram ao mesmo destino: o conceito de um corpo estelar tão massivo que sua gravidade aprisiona a luz e causa um desvio para o vermelho infinito. Schwarzschild tinha a teoria, mas Oppenheimer e seus colegas foram os primeiros cientistas que realmente entenderam o nascimento físico de um buraco negro.

Três anos depois, Oppenheimer viajaria para Los Alamos, consolidando seu lugar na história e na percepção do público. Mas muitos, especialmente os cientistas, lembram-se dele como o pai dos buracos negros.

“Oppenheimer fez contribuições muito significativas para a física dos buracos negros e para a física como um todo”, concluiu Calmet. “Embora o público em geral associe seu nome à bomba e ao Projeto Manhattan, suas contribuições à física e à astrofísica são muito apreciadas pela comunidade científica.

“Ele foi um dos principais físicos durante sua vida e foi extremamente influente, e seu trabalho ainda é relevante hoje.”

Quem foi Robert Oppenheimer?

Nascido em 1904, em uma família rica de Nova York, Oppenheimer se formou em Harvard com especialização em química em 1925.

Dois anos depois, concluiu seu doutorado em física em uma das principais instituições de física teórica do mundo, a Universidade de Göttingen, na Alemanha. Ele tinha 23 anos e era apaixonado a ponto de endoidar os outros.

Ao longo de sua vida, Oppenheimer seria julgado como um prodígio indiferente ou um narcisista ansioso. Independentemente de suas contradições como indivíduo, suas excentricidades não limitaram suas realizações científicas.

Antes da eclosão da Segunda Guerra Mundial, Oppenheimer trabalhou na Universidade da Califórnia em Berkeley, e no Instituto de Tecnologia da Califórnia. Sua pesquisa concentrou-se em astronomia teórica, física nuclear e teoria quântica de campos.

Embora confessasse não ter interesse em política, Oppenheimer apoiava abertamente ideias socialmente progressistas. Ele estava preocupado com o surgimento do antissemitismo e do fascismo. Sua companheira, Kitty Puening, era uma radical de esquerda e seu círculo social incluía membros e ativistas do Partido Comunista. Mais tarde, essas associações o marcariam como simpatizante do comunismo.

Como pesquisador, Oppenheimer publicou e supervisionou uma nova geração de estudantes de doutorado. Um deles foi Willis Lamb, que em 1955 recebeu o Prêmio Nobel de Física. O Prêmio Nobel escapou de Oppenheimer três vezes.

Robert Oppenheimer em 1944 — Foto: Reprodução/Wikimedia Commons

A segunda Guerra Mundial

Dois anos depois que a Alemanha e a Rússia soviética atacaram a Polônia, os Estados Unidos entraram na Segunda Guerra Mundial. Oppenheimer foi recrutado para trabalhar no infame Projeto Manhattan. Suas ideias sobre a reação em cadeia em uma bomba atômica ganharam reconhecimento entre a comunidade de defesa dos EUA. Ele começou seu trabalho montando uma equipe de especialistas. Alguns dos quais eram seus alunos.

Em 1943, apesar de suas opiniões políticas de esquerda, da falta de uma carreira de destaque e da falta de experiência no gerenciamento de projetos complexos, Oppenheimer foi nomeado diretor do Laboratório Nacional de Los Alamos, no Novo México. Ele estava entusiasmado. Parecia ter “reservas de força descompromissada”, lembrou o físico Isidor Isaac Rabi. Sua tarefa era desenvolver armas atômicas.

O Laboratório de Los Alamos expandiu-se rapidamente à medida que o projeto crescia em complexidade, com mais de 6 mil funcionários. Sua capacidade de dominar a força de trabalho em larga escala e canalizar sua energia para as necessidades do projeto lhe rendeu respeito.

O físico provou ser mais do que apenas um administrador ao se envolver na equipe interdisciplinar em todos os estágios teóricos e experimentais do desenvolvimento de armas.

O teste nuclear

Em 16 de julho de 1945, foi realizado o teste nuclear com o nome de código Trinity. A primeira bomba atômica foi detonada com sucesso às 5h29 no deserto de Jornada del Muerto. Como seu assistente-chefe, Thomas Farrell, relatou:

“Houve uma tremenda explosão de luz, seguida logo depois pelo rugido profundo da explosão”.

Mais tarde, Oppenheimer lembrou que “algumas pessoas riram, outras choraram, mas a maioria ficou em silêncio”. O que ele sabia com certeza era que o mundo não seria o mesmo.

Era tarde demais para as bombas atômicas serem usadas contra a Alemanha na guerra — os nazistas haviam se rendido em 8 de maio. Em vez disso, o presidente dos EUA, Harry Truman, decidiu usar a bomba contra o aliado da Alemanha, o Japão.

Logo depois que as bombas atômicas foram lançadas nas cidades japonesas de Hiroshima e Nagasaki, em agosto de 1945, Oppenheimer confrontou o secretário de guerra dos Estados Unidos, Henry Stimson, anteriormente que as armas químicas haviam sido banidas.

Da mesma forma, ao falar com Truman, Oppenheimer falou sobre a sensação de ter sangue nas mãos. Truman rejeitou uma explosão emocional de Oppenheimer. A responsabilidade pelo uso das bombas atômicas, afinal, era do comandante-chefe (ele mesmo).

A refutação de Truman não impediu Oppenheimer de defender o estabelecimento de controles na corrida armamentista nuclear.

Controle de armas

Nos anos pós-guerra, Oppenheimer se estabeleceu em Princeton, Nova Jersey, no Instituto Para Estudos Avançados. Ele lia muito, colecionava arte, móveis e aprendeu idiomas. Seu cargo, bem remunerado, permitiu que ele buscasse uma compreensão mais profunda da humanidade por meio do exame de escrituras antigas. Ele defendeu a unidade de propósito entre as ciências e as humanidades.

O patrocínio de Oppenheimer apoiou e encorajou outros cientistas em suas pesquisas. Mas sua principal preocupação era a inevitável corrida armamentista. Ele defendeu o estabelecimento de um órgão internacional que controlaria o desenvolvimento da energia nuclear e seu uso.

Em 1947, uma agência civil chamada Comissão de Energia Atômica iniciou seu trabalho. Oppenheimer fez um forte apelo ao controle internacional de armas.

O primeiro teste de bomba atômica da União Soviética, em agosto de 1949, pegou os EUA de surpresa e levou os pesquisadores norte-americanos a desenvolver uma bomba de hidrogênio. O governo dos EUA endureceu sua posição. Em 1952, Truman recusou-se a renomear Oppenheimer como conselheiro da Comissão de Energia Atômica.

Depois de 1952, a defesa de Oppenheimer contra o primeiro teste da bomba de hidrogênio evoluiu na suspensão de sua autorização de segurança. A investigação que se seguiu em 1954 expôs os antigos laços comunistas de Oppenheimer e culminou com a revogação de sua autorização de segurança.

Na era da caça às bruxas de Joseph McCarthy, seus colegas cientistas consideravam Oppenheimer um mártir da causa da liberdade acadêmica. “Na Inglaterra”, comentou Wernher von Braun, um ex-nazista que se tornou pioneiro americano da tecnologia de foguetes, “Oppenheimer teria sido condecorado”.

Depois de 1954, Oppenheimer não parou de defender a liberdade na busca do conhecimento. Ele viajou internacionalmente com palestras sobre o papel da liberdade acadêmica sem restrições por considerações políticas. Ele argumentou que as ciências e as humanidades não são empreendimentos humanos separados, mas interligados e inseparáveis.

O cientista morreu aos 62 anos em 18 de fevereiro de 1967.

Fonte: Space.com

https://www.space.com/oppenheimer-atomic-bomb-black-holes


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