FísicaNossa realidade pode ser um holograma criado pela física quântica

Físicos encontram indícios de que o entrelaçamento explica as equações de Einstein para a gravidade.
Tom Siegfried, Knowable Magazine1 mês atrás15 minCrédito da imagem: Vienna University of Technology
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Rod Serling sabia tudo sobre dimensões. Sua Twilight Zone era uma dimensão da imaginação, uma dimensão da visão, do som e da mente, uma dimensão tão vasta quanto o espaço e atemporal quanto o infinito. Era tudo muito claro, exceto a parte do espaço e do tempo, as dimensões da vida real. Serling nunca os explicou.

Claro que, desde Einstein, os cientistas também têm coçado a cabeça sobre como dar sentido ao espaço e ao tempo. Antes disso, quase todo mundo pensava que Isaac Newton tinha descoberto tudo. O tempo “flui equitativamente sem relação com nada externo”, declarou ele. O espaço absoluto é também a sua própria coisa, “sempre semelhante e imóvel”. Nada para ver além. Eventos de realidade física realizados independentemente em um palco neutro onde atores se pavoneavam e se irritavam sem influenciar o resto do teatro.

Mas as teorias de Einstein transformaram o espaço e o tempo absolutos de Newton em um mash-up relativista – suas equações sugeriram um espaço-tempo fundido, um novo tipo de arena em que os jogadores alteraram o espaço do campo de jogo. Foi uma mudança de paradigma da física. O espaço e o tempo já não forneciam um pano de fundo sem recursos para a matéria e a energia. Anteriormente independente e uniforme, o espaço e o tempo tornaram-se inseparáveis e variáveis. E como Einstein mostrou em sua teoria geral da relatividade, matéria e energia distorceu o espaço-tempo em torno dele. Essa simples (hah!) verdade explicou a gravidade. A aparente força de atração de Newton tornou-se uma ilusão perpetrada pela geometria do espaço-tempo. Era a forma do espaço-tempo que ditou o movimento de corpos maciços, uma justiça simétrica desde que os corpos maciços determinaram a forma do espaço-tempo.

A verificação da revolução espaço-tempo de Einstein veio um século atrás, quando uma expedição de eclipse confirmou a principal predição de sua teoria geral (uma quantidade precisa de flexão da luz passando perto da borda de um corpo maciço, neste caso o sol). Mas o espaço-tempo permaneceu misterioso. Como era algo em vez de nada, era natural perguntar de onde vinha.

Agora uma nova revolução está à beira de responder a essa pergunta, baseada em insights de outras grandes surpresas físicas do século passado: a mecânica quântica. A revolução de hoje oferece o potencial para mais uma reescrita do currículo do espaço-tempo, com o bônus de talvez explicar por que a mecânica quântica parece tão estranha.

“O espaço-tempo e a gravidade devem emergir de outra coisa”, escreve o físico Brian Swingle na Annual Review of Condensed Matter Physics de 2018. Caso contrário, é difícil ver como a gravidade de Einstein e a matemática da mecânica quântica podem conciliar sua incompatibilidade de longa data. A visão de Einstein da gravidade como a manifestação da geometria espaço-tempo tem sido enormemente bem sucedida. Mas assim também tem sido a mecânica quântica, que descreve as maquinações de matéria e energia na escala atômica com precisão infalível. As tentativas de encontrar uma matemática coerente que acomoda a estranheza quântica com a gravidade geométrica, no entanto, encontraram formidáveis obstáculos técnicos e conceituais.

Pelo menos isso tem sido assim há muito tempo para as tentativas de compreender o espaço-tempo comum. Mas pistas para um possível caminho para o progresso surgiram a partir do estudo teórico de geometrias alternadas de espaço-tempo, pensável em princípio, mas com propriedades incomuns. Uma dessas alternativas, conhecida como espaço de De Sitter, é estranhamente curvada e tende a colapsar sobre si mesma, em vez de se expandir como o universo em que vivemos o faz. Não seria um bom lugar para se viver. Mas como um laboratório para estudar teorias da gravidade quântica, ele tem muito a oferecer. “A gravidade quântica é suficientemente rica e confusa para que até mesmo os universos de brinquedos possam lançar uma enorme luz sobre a física”, escreve Swingle, da Universidade de Maryland.

Estudos do espaço de De Sitter sugerem, por exemplo, que a matemática que descreve a gravidade (isto é, a geometria espaço-tempo) pode ser equivalente à matemática da física quântica num espaço de menos uma dimensão. Pense num holograma – uma superfície plana e bidimensional que incorpora uma imagem tridimensional. De forma semelhante, talvez a geometria tetradimensional do espaço-tempo possa ser codificada na matemática da física quântica operando em três dimensões. Ou talvez você precise de mais dimensões – quantas dimensões são necessárias é parte do problema a ser resolvido.

Em qualquer caso, as investigações ao longo destas linhas revelaram uma possibilidade surpreendente: o próprio espaço-tempo pode ser gerado pela física quântica, especificamente pelo fenômeno desconcertante conhecido como emaranhamento quântico.

Como popularmente explicado, emaranhamento é uma conexão assustadora que liga partículas separadas por grandes distâncias. Se forem emitidas a partir de uma fonte comum, tais partículas permanecem enredadas, independentemente da distância que separem umas das outras. Se você medir uma propriedade (como spin ou polarização) para um deles, você então sabe qual seria o resultado da mesma medição para o outro. Mas antes da medição, essas propriedades ainda não estão determinadas, um fato contraintuitivo verificado por muitos experimentos. Parece que a medição em um lugar determina o que será a medição em outro local distante.

Isso parece com partículas emaranhadas que devem ser capazes de se comunicar mais rápido do que a luz. Caso contrário, é impossível imaginar como um deles poderia saber o que estava acontecendo com o outro através de uma vasta expansão do espaço-tempo. Mas eles realmente não enviam nenhuma mensagem. Então, como é que as partículas enredadas transcendem o abismo espaço-temporal que as separa? Talvez a resposta seja que elas não precisam – porque o emaranhamento não acontece no espaço-tempo. O emaranhamento cria o espaço-tempo.

Pelo menos essa é a proposta que a pesquisa atual em universos de brinquedos tem inspirado. “A emergência do espaço-tempo e da gravidade é um fenômeno misterioso da física quântica de muitos corpos que gostaríamos de compreender”, sugere Swingle em seu artigo de Annual Review. Esforço enérgico de vários físicos de alto nível tem produzido evidências teóricas de que redes de estados quânticos enredados tecem o tecido espaço-tempo. Esses estados quânticos são frequentemente descritos como “qubits” – bits de informação quântica (como bits de computador comuns, mas existentes em uma mistura de 1 e 0, não simplesmente 1 ou 0). Os qubits emaranhados criam redes com geometria no espaço com uma dimensão extra além do número de dimensões em que os qubits vivem. Assim, a física quântica dos qubits pode então ser equiparada à geometria de um espaço com uma dimensão extra. O melhor de tudo é que a geometria criada pelos qubits emaranhados pode muito bem obedecer às equações da relatividade geral de Einstein que descrevem o movimento devido à gravidade – pelo menos os últimos pontos de pesquisa nessa direção. “Aparentemente, uma geometria com as propriedades corretas construídas a partir do emaranhado tem que obedecer às equações gravitacionais do movimento”, escreve Swingle. “Este resultado justifica ainda mais a alegação de que o espaço-tempo surge do emaranhamento.

De qualquer forma, resta mostrar que as pistas encontradas em universos de brinquedos com dimensões extras levarão à verdadeira história para o espaço-tempo comum em que os físicos de verdade se suportam e se afligem. Ninguém realmente sabe exatamente quais processos quânticos no mundo real seriam responsáveis pela tecelagem do tecido do espaço-tempo. Talvez algumas das suposições feitas nos cálculos até agora acabem por ser defeituosas. Mas pode ser que a física esteja à beira de penetrar mais profundamente nos fundamentos da natureza do que nunca, em uma existência contendo dimensões previamente desconhecidas de espaço e tempo (ou visão e som) que podem acabar transformando The Twilight Zone em Reality de TV.

Este artigo foi originalmente publicado Knowable Magazine e traduzido sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.

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