Uma nova ideia ousada visa interligar duas descrições famosas discordantes da natureza. Se for realmente verdadeira, essa nova visão irá revelar como e por que o espaço-tempo existe graças às conexões assustadoras de informação quântica.
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| Partículas quânticas podem se conectar através de buracos de minhoca no tecido do espaço-tempo. |
Cem anos depois que Albert Einstein desenvolveu sua teoria da relatividade geral, os físicos ainda estão presos com talvez o maior problema de incompatibilidade no universo. A paisagem do espaço-tempo deformado que Einstein descreveu é como uma pintura de Salvador Dalí – sem costuras, ininterrupta, geométrica. Mas as partículas quânticas que ocupam esse espaço são mais algo como Georges Seurat: pontilhistas, discretas, descritas por probabilidades. Em sua essência, as duas descrições são contraditórias. No entanto, uma nova variedade ousada de pensamento sugere que as correlações quânticas entre manchas de pintura impressionista, na verdade, não criam apenas a paisagem de Dalí, mas criam telas em que ambos estão sentados em cima, assim como o espaço tridimensional em torno deles. E Einstein, como tantas vezes acontece, fica bem no centro de tudo, ainda transformando as coisas de ponta-cabeça abaixo do seu túmulo.
Como iniciais esculpidas em uma árvore, ER = EPR, surge como a nova ideia, é um atalho que une duas ideias propostas por Einstein em 1935. Uma delas envolveu o paradoxo implícito que ele chamou de “ação fantasmagórica à distância” entre as partículas quânticas (o paradoxo EPR, nomeado para os seus autores, Einstein, Boris Podolsky e Nathan Rosen). O outro mostrou como dois buracos negros poderiam ser conectados nos confins do espaço através de “buracos de minhoca” (ER = pontes Einstein-Rosen). No momento que Einstein estendeu essas idéias — e para a maioria das oito décadas desde então — elas ficaram inteiramente independentes.
O Jornal New York Times
Quando Einstein, Podolsky e Rosen publicaram seu papel seminal apontando intrigante características do que hoje chamamos de emaranhamento, The New York Timestratado como notícia de primeira página.
Mas se ER = EPR estivesse correta, as ideias não estariam desconectadas – são duas manifestações da mesma coisa. E essa conexão subjacente formaria a base de todo o espaço-tempo. O Entrelaçamento quântico – a ação a distância que tanto perturbou Einstein – poderia estar criando a “conectividade espacial” que “costura o espaço”, de acordo com Leonard Susskind, um físico da Universidade de Stanford e um dos principais arquitetos da ideia. Sem estas conexões, todo o espaço seria “atomizado”, de acordo com Juan Maldacena, um físico do Instituto de Estudos Avançados de Princeton, NJ, que desenvolveu a ideia juntamente com Susskind. “Em outras palavras, a estrutura sólida e confiável do espaço-tempo é assim devido às características espectrais de emaranhamento”, disse ele. Além do mais, ER = EPR tem o potencial para entender como a gravidade se encaixa com a mecânica quântica.
Nem todo mundo está apostando nisso, é claro (e nem devem, uma vez que a ideia está em “sua infância”, disse Susskind). Joe Polchinski, um pesquisador do Instituto Kavli de Física Teórica da Universidade da Califórnia, Santa Barbara, cujo próprio paradoxo impressionante sobre firewalls nas gargantas dos buracos negros que desencadeou os mais recentes avanços, está cauteloso, mas intrigado. “Eu não sei onde ele está indo”, disse ele, “mas são tempos divertidos agora.”
A Guerra dos Buracos Negros
O caminho que levou à ER = EPR é uma fita de Möbius com voltas e reviravoltas emaranhadas que se dobra sobre si mesma.
Um lugar justo para começar a discutir isso é o entrelaçamento quântico. Se duas partículas quânticas estão embaraçadas, tornam-se, com efeito, duas partes de uma única unidade. O que acontece com uma partícula, acontece com a outra, não importa o quão longe elas estejam.
Maldacena às vezes usa um par de luvas como uma analogia: Se você se depara com a luva com a mão destra, você instantaneamente sabe que a outro é a canhota. Não há nada de assustador nisso. Mas, na versão quântica, ambos luvas são, na verdade, a mão esquerda e a mão direita (e tudo mais), até o momento em que você observá-las. Spookier diz ainda que a luva com a mão esquerda não se torna esquerda até que você observe a uma destra – e neste momento, ambas ganham uma lateralidade definida.
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| Juan Maldacena no Instituto de Estudos Avançados de Princeton, NJ. |
O entrelaçamento desempenhou um papel fundamental, em 1974, com a descoberta de Stephen Hawking de que buracos negros poderiam evaporar. Isto, também, envolveu pares emaranhados de partículas. Durante todo o espaço, a curta duração partículas “virtuais” de matéria e anti-matéria continuamente pulavam dentro e fora de existência. Hawking percebeu que, se uma partícula caiu em um buraco negro e outra escapou, o buraco emite radiação, brilha como uma brasa. Com tempo suficiente, o buraco se evaporaria, levantando a questão do que aconteceu com o conteúdo das informações do material que caiu nele.
Mas as regras da mecânica quântica proíbem a destruição completa de informações. (Esperadamente, informações de emaranhamento são outra história, é por isso que documentos podem ser queimados e discos rígidos esmagados. Não há nada nas leis da física que impeça a perda de informações em fumaça e cinzas de um livro que está sendo reconstruído, pelo menos em princípio.) Assim, a questão tornou-se essa: Será que as informações que foram originalmente para o buraco negro viraram ovos mexidos? Ou estariam realmente perdidas? Os argumentos detonam o que Susskind chama de “guerra dos buracos negro”, que geraram histórias suficientes para encher muitos livros. (Susskind legendou isso como “minha batalha com Stephen Hawking fazem um mundo seguro para a mecânica quântica”).
Eventualmente, Susskind – em uma descoberta que chocou até mesmo ele – percebeu (com Gerard’t Hooft) que todas as informações que cairiam no buraco ficariam realmente presas em horizontes de eventos bidimensionais do buraco negro, a superfície que marca o ponto de não retorno. O horizonte codifica tudo dentro, como um holograma. Seria como se bits (um conjunto de zeros e uns) fossem os tijolos necessários para recriar sua casa e tudo o que nela poderia caber nas paredes. A informação não foi perdida – foi mexida e mantida fora do alcance.
Susskind continuou a trabalhar na ideia com Maldacena, a quem ele chama de “o mestre”. A holografia começou a ser usada não apenas para entender os buracos negros, mas qualquer região do espaço que pode ser descrita por sua fronteira. Ao longo da última década, a ideia aparentemente maluca que o espaço é uma espécie de holograma tornou-se monotonamente, uma ferramenta da física moderna usada em tudo, desde a cosmologia até a matéria condensada. “Uma das coisas que acontece com as idéias científicas é que muitas vezes temos que ir de conjectura selvagem a conjectura razoável com ferramentas de trabalho“, disse Susskind. “Se torna uma rotina.“
Em 2012 Polchinski, juntamente com Ahmed Almheiri ,Donald Marolf e James Sully, surgiram com uma visão tão surpreendente que, segundo disseram os físicos: ela sustenta tudo.
O chamado Artigo AMPS (devido as iniciais de seus autores) apresentou um caso raro de um paradoxo de emaranhamento – um tão visão tão gritante que implicava que os buracos negros não poderiam, na verdade, terem entranhas, de modo que uma “firewall” apenas dentro do horizonte iria fritar alguém ou alguma coisa que tentasse descobrir seus segredos.
Escalando o Firewall
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| Leonard Susskind em casa, em Palo Alto, na Califórnia |
Aqui está o coração de seu argumento: se o horizonte de eventos do buraco negro é um lugar aparentemente normal suave, como a relatividade prevê (os autores chamam isso de condição “sem drama”), as partículas que saem do buraco negro devem ser envolvidas com partículas caindo no buraco negro. No entanto, para obter informações que não sejam perdidas, as partículas que saem do buraco negro também deve ser envolvidas com partículas que deixaram o buraco há muito tempo e agora estão espalhadas em uma névoa de radiação Hawking. Isso são demasiados tipos de emaranhamentos, perceberam os autores do AMPS.
A razão é que emaranhamentos devem ser monogâmicos, existentes entre apenas duas partículas. Dois emaranhamentos ao mesmo tempo – a poligamia quântica – simplesmente não podem acontecer, o que sugere que o suave e contínuo espaço-tempo no interior das gargantas dos buracos negros não pode existir. Uma pausa no emaranhamento no horizonte implicaria uma descontinuidade no espaço, um engavetamento de energia: o “firewall”.
O artigo AMPS tornou-se um “verdadeiro gatilho”, disse Stephen Shenker , um físico da Universidade de Stanford. É claro, os físicos amam tais paradoxos, porque eles são um terreno fértil para descobertas.
Susskind e Maldacena estavam pensando sobre emaranhamento e buracos de minhoca, e ambos foram inspirados pelo trabalho de Mark Van Raamsdonk, um físico da Universidade de British Columbia, em Vancouver, que tinha conduzido um experimento de pensamento fundamental sugerindo que o entrelaçamento e espaço-tempo estão intimamente relacionados .
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| “Então, um dia”, disse Susskind, “Juan me enviou uma mensagem muito enigmática que continha a equação ER = EPR. Vi imediatamente o que ele queria chegar, e de lá nós fomos e voltamos expandindo a ideia. “ |
As investigações, que eles apresentaram em um artigo 2013 “, Horizontes Frios para Buracos Negros Emaranhados “, defenderam uma espécie de entrelaçamento que os autores AMPS tinham esquecido de mencionar de acordo com Susskind. AMPS assumiram que as partes do espaço interior e do exterior do horizonte de eventos eram independentes. Mas Susskind e Maldacena sugerem que, na verdade, as partículas de ambos os lados da fronteira poderiam ser conectadas por um buraco de minhoca. O emaranhamento ER=EPR poderia “contornar o aparente paradoxo”, disse Van Raamsdonk. O artigo continha um gráfico que alguns se referem no meio dessa brincadeira como a “imagem do polvo” – com vários buracos de minhoca que conduzem a radiação Hawking do interior de um buraco negro para o seu exterior.
Em outras palavras, não houve necessidade de um emaranhamento que criaria uma torção na superfície lisa da garganta do buraco negro. As partículas ainda dentro do buraco estariam diretamente ligadas às partículas que o deixaram há muito tempo. Não há necessidade de passar através do horizonte, não há necessidade de passar Go. As partículas no interior e do exterior podem ser considerados as mesmas, explicou Maldacena. O complexo buraco de minhoca “polvo” ligaria o interior do buraco negro diretamente para partículas ao longo da nuvem de radiação Hawking.
Buracos no Wormhole
Ninguém sabe ao certo ainda se o ER = EPR vai resolver o problema do firewall. John Preskill, um físico do Instituto de Tecnologia da Califórnia em Pasadena, lembrou aos leitores de Quantum Frontiers, o blog para o Instituto de Caltech de Informação Quântica e da Matéria, que, por vezes, os físicos confiam no seu “faro” para sentir se as teorias são boas promessas. “No primeiro sopro”, escreveu ele, o “ER = EPR pode emanar um cheiro fresco e doce, mas ele vai ter que amadurecer na prateleira por um tempo.”
Aconteça o que acontecer, a correspondência entre as partículas quânticas entrelaçadas e da geometria do curvado espaço-tempo é uma “grande nova visão”, disse Shenker. Ele e seu colaborador Douglas Stanford, pesquisador do Instituto de Estudos Avançados, estão enfrentando problemas complexos em caos quânticos através do que Shenker chama de “geometria simples que até eu posso entender.”
Para ter certeza, o ER = EPR ainda não aplica-se a todo e qualquer tipo de espaço, ou qualquer tipo de emaranhamento. É preciso um tipo especial de emaranhamento e um tipo especial de buraco de minhoca. “Lenny e Juan estão completamente cientes disso”, disse Marolf, que recentemente foi co-autor de um artigo descrevendo buracos de minhoca, com mais de duas extremidades . ER = EPR funciona em situações muito específicas, disse ele, mas AMPS argumentam que o firewall apresenta um desafio muito mais amplo.
Como Polchinski e outros, Marolf teme que o ER = EPR modifica a mecânica quântica padrão. “Um monte de pessoas estão realmente interessadas na conjectura ER =EPR”, disse Marolf. “Mas há uma sensação de que ninguém além de Lenny e Juan realmente entendem o que é.” Ainda assim, “é um momento interessante”.
Veja aqui a segunda parte desta série, explorando os detalhes de como o emaranhamento pode construir o espaço-tempo
Traduzido e adaptado de: Quantamagazine