Centenas de pesquisadores do projeto colaborativo chamado de “It from Qubit” dizem que o espaço e o tempo podem surgir a partir do entrelaçamento quântico de pequenos pedaços de informações.
“O mundo inteiro é um palco…”, escreveu Shakespeare, e os físicos tendem a pensar assim também. O espaço parece ser um pano de fundo para a ação de forças e campos que o habitam, mas o espaço em si não é feito de qualquer coisa, ou é? Ultimamente os cientistas começaram a questionar esse pensamento convencional e especularam que o espaço – e sua extensão de acordo com a relatividade geral, o espaço-tempo – é na verdade composto de pequenos pedaços de informação. Estes pedaços podem interagir para criar o espaço-tempo e dá origem às suas propriedades, tais como o conceito de que a curvatura no espaço-tempo provoca gravidade. Se assim for, a ideia pode não apenas explicar o espaço-tempo, mas podem ajudar os físicos alcançarem um objetivo há muito procurado: uma teoria quântica da gravidade, que pode fundir a relatividade geral e a mecânica quântica, as duas grandes teorias do Universo que tendem a não se dão bem. Ultimamente a excitação desta possibilidade foi sentida por centenas de físicos que vêm se reunindo a cada três meses mais ou menos sob a bandeira de um projeto denominado “It from Qubit.”
O “it“, neste caso, é o espaço-tempo, e o qubit (pronuncia-se “cue-bit”, de “bit quântico”) representa a menor quantidade possível de informações em um “bit” de computador em uma escala quântica. A ideia sugere que o universo é construído a partir de um código subjacente no qual, através do craqueamento deste código, os físicos finalmente terão uma maneira de compreender a natureza quântica de eventos de grande escala do cosmos. O mais recente encontro “It from Qubit” (IQA) foi realizado em julho no Perimeter Institute for Theoretical Physics, em Ontário, onde os organizadores esperam cerca de 90 inscritos. Eles tiveram tantas inscrições que resolveram aumentar a demanda de para 200 e, simultaneamente, executar cinco sessões satélites em outras universidades onde os cientistas puderam participar remotamente. “Eu acho que este é um dos mais, se não o mais, promissor caminho na pesquisa para perseguir a gravitação quântica“, disse Netta Engelhardt, pós-doutorando na Universidade de Princeton, que não está envolvido oficialmente no projeto, mas que participou de algumas das reuniões. “Estamos apenas decolando.”
Como o projeto envolve tanto a ciência dos computadores quânticos quanto o estudo do espaço-tempo e relatividade geral, dois grupos de pesquisadores que normalmente não tendem a colaborar, estão trabalhando juntos: cientistas da informação quântica de um lado, e físicos das altas energias e os teóricos das cordas do outro. “Isto casa dois campos tradicionalmente diferentes: a informação é armazenada em coisas quânticas e as informações armazenadas no espaço e no tempo”, disse Vijay Balasubramanian, um físico da Universidade da Pensilvânia, que é um investigador principal do IQA. Cerca de um ano atrás, a Simons Foundation, uma organização privada que apoia a investigação científica e matemática, concedeu uma subvenção para fundar a “It from Qubit” e financiar físicos para estudar e realizar reuniões sobre o assunto. Desde então, a emoção cresceu e sucessivas reuniões têm atraído mais e mais pesquisadores, alguns membros oficiais da colaboração financiada pela Simons e muitos outros interessados no tema. “Este projeto aborda questões muito importantes, porém muito difíceis”, disse Beni Yoshida, PHD e colaborador da IQA. “A colaboração é necessária – uma única pessoa nao pode resolver este problema.” Mesmo os cientistas de fora do projeto têm tomado conhecimento. “Se a ligação com a teoria da informação quântica prova-se tão bem sucedida quanto algumas antecessoras, ela poderia muito bem desencadear a próxima revolução em nossa compreensão do espaço e do tempo”, disse o teórico das cordas Brian Greene, da Universidade de Columbia, que não está envolvido no IQA. “Isso é acordo enorme e extremamento importante.”
Entrelaçando o Espaço-tempo
A noção de que o espaço-tempo tem pedaços ou é “composto” de qualquer coisa parte da tradicional imagem da relatividade geral. De acordo com o novo ponto de vista, o espaço-tempo, ao invés de ser fundamental, pode “surgir” através de interações de tais pedaços. Do que, exatamente, esses bits são feitos e que tipo de informação eles contêm? Os cientistas não sabem. No entanto, curiosamente, “o que mais importa são as relações” entre os bits do os próprios pedaços, disse Brian Swingle, um pós-doc na Universidade de Stanford e colaborador do IQA. “Essas relações colectivas são a fonte da riqueza. Aqui a coisa crucial não é os constituintes, mas o modo como que eles organizam-se em conjunto “.
A chave para esta organização pode ser o estranho fenômeno conhecido como entrelaçamento quântico, um tipo estranho de correlação que pode existir entre as partículas, em que ações executadas em uma partícula pode afetar a outra, mesmo quando uma grande distância as separe. “Ultimamente uma proposta absolutamente fascinante é que o tecido do espaço-tempo é costurado pelo entrelaçamento quântico a partir do mesmo material que os ‘átomos’ subjacentes do espaço-tempo são feitos”, diz Balasubramanian. “Isso é incrível, se for verdade.”
O raciocínio por trás da ideia vem de várias descobertas anteriores de físicos, tais como um artigo de 2006 de Shinsei Ryu e Tadashi Takayanagi que mostra uma ligação entre o emaranhamento e a geometria do espaço-tempo. Com base nesse trabalho, em 2013, Juan Maldacena e Leonard Susskind descobriram que, se dois buracos negros se envolvem, eles criariam um buraco de minhoca -um atalho no espaço-tempo previsto pela relatividade geral. Esta descoberta (apelidada de ER=EPR) e outras como ele sugere, surpreendentemente, este emaranhamento – que foi pensado para não envolver nenhuma ligação – pode produzir estruturas físicas no espaço-tempo.
Para entender como o emaranhamento pode dar origem ao espaço-tempo, os físicos primeiramente devem entender melhor como o emaranhamento funciona. O fenômeno tem parecido “assustador”, nas palavras de Albert Einstein, desde que ele e seus colaboradores previram em 1935. Ultimamente os cientistas têm estudado os vários tipos de complicações que podem existir. Por exemplo, o emaranhamento convencional envolve a ligação de uma característica única (tal como rotação de uma partícula) em partículas múltiplas do mesmo tipo, distribuídas no espaço. Outro tipo pode envolver várias partículas de um determinado tipo em um local com partículas de um tipo diferente no mesmo local. “Isso não é o emaranhamento no espaço”, diz Balasubramanian. “Eu percebi que existem outras formas de entrelaçamento que acabam por ser relevante para este projeto de reconstruir o entrelaçamento do – o espaço-tempo convencional não é suficiente.” Os cientistas também estão abordando as complexidades desconcertantes entrelaçar um maior número de partículas.
Uma vez que a dinâmica do emaranhamento estão mais claras, os cientistas esperam compreender como o espaço-tempo surge, assim como os movimentos microscópicos do átomos no ar dão origem aos padrões complexos de termodinâmica e do cima. “Este é um emergente fenômeno de quando você diminuir o zoom de alguma coisa, você vê uma imagem diferente que você não saberia se foi feita por causa de dinâmicas menores”, diz Engelhardt. “Esta é uma das coisas mais fascinantes sobre ” it from Qubit, porque nós não compreendemos a dinâmica quântica fundamental a partir do qual o espaço-tempo emerge.”
Hologramas cósmicos
O principal objetivo de todo este trabalho é para finalmente conseguir uma teoria que descreve a gravidade do ponto de vista quântico. No entanto, os físicos que perseguem este objetivo têm se frustado por um século até agora – Einstein seguiu tal teoria obstinadamente até sua morte, sem sucesso. Os cientistas do “it from Qubit” estão apostando em uma ideia conhecida como o princípio holográfico para ajudá-los.
Este princípio sugere que algumas teorias físicas são equivalentes às teorias mais simples que funcionam em um universo menor-dimensional, da mesma forma que um cartão postal 2-D com um holograma de um unicórnio pode conter todas as informações necessárias para descrever e retratar o forma 3-D do unicórnio. Como encontrar uma teoria para trabalhar na gravidade quântica é tão difícil, os físicos poderiam apontar para descobrir uma equivalente, mais fácil de trabalhar com a teoria que opera em um universo com menos dimensões do que o nosso.
Uma das formas de realização mais bem sucedidas do princípio holográfico é uma descoberta conhecida como a correspondência AdS/CFT, encontrada por Maldacena em 1997 no âmbito da teoria das cordas. A teoria das cordas, uma tentativa de uma teoria da gravidade quântica, substitui todas as partículas fundamentais da natureza por pequenas cordas vibrantes. Na correspondência AdS/CFT, Maldacena mostrou que é possível descrever completamente um buraco negro puramente descrevendo o que acontece em sua superfície. Em outras palavras, a física do lado de dentro – o “bulk” 3-D – corresponde perfeitamente à física do lado de fora – a “fronteira” 2-D.
AdS/CFT pode permitir que os físicos descubram uma teoria que é equivalente à gravidade quântica, realiza todas as mesmas metas e pode descrever a mesma física, mas que é muito mais fácil de trabalhar – deixando de fora a gravidade completamente. “Teorias que usam a gravidade são muito difíceis de obter descrições quânticas, enquanto teorias que não têm gravidade são muito mais fáceis para descrever completamente”, disse Balasubramanian. Mas como poderia uma teoria que deixa de fora a gravidade ser uma teoria da “gravidade quântica”? Talvez o que nós pensamos como gravidade e espaço-tempo seja apenas uma outra maneira de olhar para o produto final de emaranhamento, em outras palavras, o emaranhamento pode, de alguma forma, codificar a informação do grosso 3-D em bits armazenados no limite de 2-D. “É uma direção muito emocionante”, acrescenta.
Nos últimos 20 anos, os cientistas descobriram a correspondência AdS/CFT – uma teoria 2-D que pode descrever uma situação 3-D – mas eles não entendem completamente porquê. “Nós sabemos que essas duas teorias são duais mas não está exatamente claro o que cria essa dualidade”, diz Swingle. “Uma saída [da IFQ] que você poderia esperar é uma teoria de como surgem essas dualidades. Isso é algo que eu acho que definitivamente que pode e vai acontecer como resultado desta colaboração ou, pelo menos, um importante progresso nesse sentido. “
A teoria da informação quântica pode ser capaz de ajudar, porque verifica-se que um conceito familiar a partir deste campo, os códigos de correção de erros quânticos, poderia estar no trabalho na correspondência AdS/CFT. Em computadores quânticos, os códigos de correção de erros quânticos são um método que os cientistas criaram para ajudar a proteger as informações perdidas se o entrelaçamento entre todas as partes particulares for quebrado. Em vez de usar pedaços individuais para codificar informações, os computadores quânticos usam emaranhadas de múltiplos bits para substituir cada bit, de modo que um único erro não poderá afetar o sistema de forma geral. “Há uma estrutura matemática subjacente que parece ser comum aos códigos e anúncios de correção de erros AdS/CFT”, disse a cientista de informação quântica Dorit Aharonov, uma investigadora principal do IFQ na Universidade Hebraica de Jerusalém. Em computadores estão sendo usados para corrigir erros, mas a AdS/CFT pode ser capaz de codificar a física em massa em um estado emaranhado na fronteira. “É muito intrigante que você encontre códigos de correção de erros quânticos dentro de buracos negros”, disse ela. “Por que diabos isso aconteceu? Essas conexões são simplesmente fascinantes. “
Mesmo se os físicos, eventualmente, compreenderem a forma como os correspondência AdS/CFT trabalha – e chegarem a uma teoria de dimensão mais baixa que defende a gravidade quântica – eles ainda não estariam livres. A correspondência em si só funciona em um “modelo de brinquedo” do universo que é um tanto simplificado do cosmos plenamente realizado que habitamos. “AdS/CFT tem uma espécie de gravidade, mas não é a teoria da gravidade em um universo em expansão como a que vivemos”, diz Swingle. “Ele descreve um universo como se fosse em um frasco – um feixe de luz, por exemplo saltaria para fora das paredes do espaço. Isso não acontece no nosso universo em expansão”. Este modelo dá aos físicos um parque infantil teórico útil para testar as suas ideias, onde a imagem simplificada torna mais fácil enfrentar a gravidade quântica. “Pode-se esperar que seja uma estação de forma útil no eventual objetivo de compreender a gravidade em nosso próprio universo”, explica Swingle.
Alguns céticos questionaram que o IFQ pode nunca ser produtivo se for baseado em uma fundação irrealista. “Isso certamente é uma crítica muito válida? Por que estamos focando neste modelo de brinquedo?” diz Engelhardt. “Tudo isso depende da validade do modelo de brinquedo, e a ideia de que, no final, o modelo de brinquedo seja a representação do nosso universo. Eu gostaria de ter certeza de que, se entendermos o modelo de brinquedo, entenderemos o verdadeiro negócio”.
A Recompensa
Independentemente se o It from Qubit finalmente alcance o Santo Graal de uma teoria unificada, os cientistas dentro e fora do projeto dizem que a abordagem vale a pena tentar e já está abrindo muitos novos caminhos para prosseguir. “Eu venho dizendo muito tempo que a relação entre informação quântica e gravidade quântica é de fundamental importância”, diz Raphael Bousso, um físico da Universidade da Califórnia, Berkeley, que não está envolvido no IFQ, mas já trabalhou com alguns dos seus colaboradores. “A conexão se aprofundou ao longo dos anos, e estou muito feliz que tantos excelentes cientistas estão agora trabalhando em conjunto para enfrentar estas questões e vendo onde eles nos levam.” A teórica da Universidade de Stanford, Eva Silverstein, que faz parte da colaboração, concorda: “É evidente que é vantajoso para desenvolver e aplicar a informação quântica para estes problemas. Mas para entender a dinâmica [da gravidade quântica] muito mais é necessário, e é importante para o campo não se concentrar muito estreitamente em uma única abordagem. “
Além disso, mesmo se o projeto não compensar com uma teoria da gravidade quântica, ainda é provável que tenha ramificações benéficas. Trazendo as técnicas e idéias da teoria das cordas e da relatividade geral para suportar questões da informação quântica, por exemplo, ajudará a definir melhor os diferentes tipos de entrelaçamento que podem existir, tanto para fins de compreensão do espaço-tempo, como para a construção de computadores quânticos. “Quando você começar a jogar com estas ferramentas em uma nova configuração, é muito provável que ela traga ideias que são interessantes e podem ser úteis em outras áreas”, diz Aharonov. “Parece que as pessoas estão fazendo progressos sobre as questões que foram abertas há muitos, muitos anos, por isso é emocionante.” Por exemplo, os cientistas descobriram que medir o tempo dentro dos buracos de minhoca pode ser possível se você pensar no buraco de minhoca como um circuito quântico.
Além disso, combinando a ciência da informação quântica com a teoria das cordas pode ajudar não apenas a derivar uma teoria quântica da gravidade, mas na avaliação de qualquer que seja a teoria que os pesquisadores procuram. “Uma questão crucial gostaríamos de perguntar – se realmente conseguirmos chegar a uma teoria física detalhada o suficiente da gravidade quântica – é qual é o poder computacional deste modelo?”, Diz Aharonov. Qualquer teoria física pode ser pensada como um modelo computacional, sua entrada e saída semelhante ao estado inicial da teoria e um estado posterior que pode ser medido — e qualquer modelo computacional tem um poder computacional. “Se esse poder for muito grande, se nosso modelo de gravidade quântica for capaz de calcular coisas que nós não acreditamos que podem ser calculada em nosso mundo, isso pelo menos aumentaria um ponto de interrogação sobre a teoria. É uma maneira de realmente dizer se a teoria é sensata ou não do ponto de vista diferente”.
O projeto está lembrando alguns físicos dos dias inebriantes no passado, quando outras grandes ideias estavam apenas começando. “Eu me tornei um estudante de graduação em 1984, quando a chamada ‘primeira revolução das supercordas’ da teoria das cordas ocorreu”, diz Hirosi Ooguri, um físico do Instituto de Tecnologia da Califórnia, que tem trabalhado no IFQ. “Foi um momento muito emocionante quando a teoria das cordas emergiu como uma das principais candidatas para uma teoria unificada de todas as forças da natureza. Eu vejo a atual explosão de entusiasmo em torno disto. Este é claramente um momento emocionante para os jovens no campo, bem como aqueles de nós que receberam nossos PhD’s décadas atrás.”
Traduzido e adaptado de Scientific American
