Como nosso universo poderia emergir como um holograma

Os físicos criaram um modelo holográfico do “espaço de Sitter”, o termo para um universo como o nosso, que poderia nos dar novas pistas sobre a origem do espaço e do tempo.

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Um esboço de Xi Dong do procedimento de corte, deformação e colagem que ele e seus colegas usaram para construir um holograma de um universo de de Sitter.

Por Natalie Wolchover
Publicado na Quanta Magazine

O tecido do espaço e do tempo é amplamente aceito pelos físicos como emergentes, costurados a partir de fios quânticos de acordo com um padrão desconhecido. E por 22 anos, eles tiveram um modelo de brinquedo de como o espaço-tempo emergente pode funcionar: um “universo em uma garrafa” teórica, como descreve seu descobridor, Juan Maldacena.

O espaço-tempo que preenche a região dentro da garrafa — um contínuo que se dobra e ondula, produzindo a força chamada gravidade — mapeia exatamente para uma rede de partículas quânticas que vivem na superfície rígida e livre de gravidade da garrafa. O “universo” interior projeta-se a partir do sistema de fronteiras de dimensões inferiores, como um holograma. A descoberta de Maldacena desse holograma deu aos físicos um exemplo prático de uma teoria quântica da gravidade.

Mas isso não significa necessariamente que o universo dos brinquedos mostre como o espaço-tempo e a gravidade emergem em nosso universo. O interior da garrafa é um lugar dinâmico chamado espaço anti-de Sitter (AdS) que é curvado negativamente como uma sela. Direções diferentes na curva do selim de maneiras opostas, com uma direção curvando-se e a outra curvando-se para baixo. As curvas tendem para a vertical quando você se afasta do centro, dando ao espaço AdS seu limite externo — uma superfície onde as partículas quânticas podem interagir para criar o universo holográfico no interior. No entanto, na realidade, nós habitamos um “De Sitter (dS) espaço” de curvatura positiva, que se assemelha à superfície de uma esfera que está se expandindo sem limites.

Desde 1997, quando Maldacena descobriu a correspondência AdS / CFT – uma dualidade entre o espaço AdS e uma “teoria de campo conforme” descrevendo as interações quânticas na fronteira desse espaço — os físicos buscaram uma descrição análoga de regiões espaço-temporais como a nossa que não são engarrafada. O único “limite” do nosso universo é o futuro infinito. Mas a dificuldade conceitual de projetar um holograma a partir de partículas quânticas que vivem no futuro infinito há muito tempo frustra os esforços para descrever o espaço-tempo real holograficamente.

No último ano, porém, três físicos fizeram progressos em direção a um holograma do espaço de Sitter. Como a correspondência AdS / CFT, a deles também é um modelo de brinquedo, mas alguns dos princípios de sua construção podem se estender a hologramas espaço-temporais mais realistas. Há “evidências tentadoras”, disse Xi Dong, da Universidade da Califórnia, em Santa Bárbara, que liderou a pesquisa, que o novo modelo é uma peça de “um quadro unificado para a gravidade quântica em Sitter [espaço]”.

Como a gravidade funciona no regime quântico? Uma dualidade holográfica da teoria das cordas oferece uma poderosa ferramenta para desvendar o mistério.

Dong e os coautores Eva Silverstein, da Universidade Stanford, e Gonzalo Torroba, do Centro Atômico de Bariloche, na Argentina, construíram um holograma do espaço dS, pegando dois universos AdS, cortando-os, distorcendo-os e colando suas fronteiras.

O corte é necessário para lidar com um infinito problemático: o fato de que o limite do espaço AdS está infinitamente distante de seu centro. (Imagine um raio de luz viajando a uma distância infinita até a curva da sela para alcançar a borda.) Dong e co-autores tornaram o espaço AdS finito cortando a região do espaço-tempo em um raio grande. Isso criou o que é conhecido como “garganta Randall-Sundrum”, depois dos físicos Lisa Randall e Raman Sundrum, que criaram o truque. Este espaço ainda é aproximado por um CFT que vive em seu limite, mas o limite está agora a uma distância finita de distância.

Em seguida, Dong e coautores adicionaram ingredientes da teoria das cordas a duas dessas gargantas Randall-Sundrum para energizá-las e dar-lhes uma curvatura positiva. Esse procedimento, chamado de “elevação”, transformou os dois espaços do AdS em forma de sela em espaços dS em forma de tigela. Os físicos poderiam então fazer a coisa mais óbvia: “colar” as duas taças juntas ao longo de suas bordas. Os CFTs descrevendo ambos os hemisférios tornam-se acoplados entre si, formando um único sistema quântico que é holograficamente dual para todo o espaço esférico de Sitter.

“O espaço-tempo resultante não tem limite, mas por construção é duplo para dois CFTs”, disse Dong. Como o equador do espaço de Sitter, onde os dois CFTs vivem, é em si um espaço de Sitter, a construção é chamada de “correspondência dS / dS”.

Silverstein propôs esta ideia básica com três coautores em 2004, mas novas ferramentas teóricas permitiram a ela, Dong e Torroba, estudar o holograma dS / dS em maior detalhe e mostrar que ele passa por importantes verificações de consistência. Em um artigo publicado no último verão, eles calcularam que a entropia de entrelaçamento — uma medida de quanta informação é armazenada nos CFTs acoplados que vivem no equador — corresponde à fórmula de entropia conhecida para a região esférica correspondente do espaço de Sitter.

Eles e outros pesquisadores estão explorando o holograma de Sitter usando ferramentas da ciência da computação. Os físicos descobriram nos últimos anos que a correspondência AdS / CFT funciona exatamente como um “código quântico de correção de erros” — um esquema para codificar informações de forma segura em um sistema quântico agitado, seja um computador quântico ou um CFT. A correção quântica de erros pode ser como o tecido emergente do espaço-tempo alcança sua robustez, apesar de ser tecido a partir de partículas quânticas frágeis.

Dong, que fez parte da equipe que descobriu a conexão entre AdS / CFT e correção quântica de erros, disse: “Acredito que a holografia de Sitter também funciona como um código quântico de correção de erros, e eu gostaria muito de entender como”. Há pouca esperança de evidências experimentais verificando se essa nova perspectiva do espaço-tempo de De Sitter está correta, mas, segundo Dong, “você sabe instintivamente que está no caminho certo se as peças começarem a se encaixar”.

Patrick Hayden, um físico teórico e cientista da computação em Stanford que estuda a correspondência AdS / CFT e sua relação com a correção quântica de erros, disse que ele e outros especialistas estão refletindo sobre o modelo dS / dS de Dong, Silverstein e Torroba. Ele disse que ainda é cedo para dizer se os insights sobre como o espaço-tempo é tecido e como a gravidade quântica funciona no espaço AdS serão transferidos para um modelo de de Sitter. “Mas há um caminho — algo a ser feito”, disse Hayden. “Você pode formular questões matemáticas concretas. Eu acho que muita coisa vai acontecer nos próximos anos”.

Tradução fornecida por Elton Wade a partir de seu projeto de divulgação científica.

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