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Novas ferramentas podem revelar como a  informação quântica constrói a estrutura do espaço.
Redes de tensores poderiam ligar a espuma espaço-tempo à informação quântica. Hannes Hummel para a Quanta Magazine.
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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.

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.
Quando Einstein, Podolsky e Rosen publicaram seu papel seminal apontando características intrigantes do que hoje chamamos de emaranhamento, The New York Times tratado como notícia de primeira página.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.

Juan Maldacena no Instituto de Estudos Avançados
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       
Leonard Susskind em casa, em Palo Alto, na Califórnia.
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 .
O ER = idéia EPR postula que partículas entrelaçadas dentro e fora do horizonte de eventos de um buraco negro está conectado via buracos de minhoca.
"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
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Há tempos que a crença que nosso Universo é uma ilusão é difundida em muitas culturas. A percepção de um universo ilusório já fez parte de várias civilizações antigas ao redor do mundo. No hinduísmo, acredita-se que o deus Brahman teve um sonho em que gotículas de suor saíam do seu corpo. Elas foram crescendo, transformando-se e evoluindo no cosmo, nas galáxias, nos planetas, nos homens, nos animais, na natureza... e tudo o que hoje conhecemos como o mundo fisicamente real não passa de um sonho do deus Brahman, e quando Brahman acordar, tudo se acabará. O filósofo grego Platão também alegava que nosso mundo na verdade é uma ilusão, alegação esta vista em seu "mito da caverna". 

Tudo é ilusão


Certa vez, um imperador indiano estava irritado com um guru que insistia que tudo é maya: uma ilusão.

Para provar que o guru estava errado, o imperador convidou-o ao seu palácio e soltou um elefante em disparada em direção a ele. Vendo que o guru correndo, o imperador gritou-lhe: "Por que você corre tão rápido, sabendo que o meu elefante é apenas uma ilusão?" O guru gritou, já à distância: "Oh, imperador, minha corrida também é uma ilusão, tudo neste mundo é uma ilusão."

Uma nova teoria, que concorda com o guru diz que tudo é ilusão. O computador que está na sua frente agora. A sua cadeira. Até mesmo este artigo não passa de uma ilusão. Este é o Princípio Holográfico.

O começo


Nos anos 1970, Stephen Hawking demonstrou que os buracos negros não eram realmente negros, podendo emitir uma radiação que, ao longo de eras, poderia fazê-los evaporar inteiramente e desaparecer.



O problema é que a radiação de Hawking não carregaria nenhuma informação sobre o buraco negro e, quando ele finalmente evaporasse por inteiro, toda a informação sobre a estrela que colapsou para formá-lo estaria irremediavelmente perdida.


Isso contraria o princípio largamente aceito de que a informação nunca pode ser destruída.

Jacob Bekenstein logo propôs uma solução para esse paradoxo da informação dos buracos negros. Segundo ele, a entropia (desordem) do buraco negro - que pode ser entendida como o conteúdo de informações do buraco negro - é proporcional à área superficial do seu horizonte de eventos, uma espécie de fronteira imaginária, além da qual nada escapa à gravidade do buraco negro. Na verdade, um buraco negro é o objeto astronômico que possui a maior entropia do Universo.

Quando  Hawking e Bekenstein calcularam que o conteúdo de da entropia do buraco negro é proporcional à sua área superficial. Isto foi surpreendente porque a maioria das pessoas esperava que a relação deveria ser com o volume do buraco negro. O que significa que que toda a informação tridimensional da estrela precursora do buraco negro poderia estar registrada em uma espécie de holograma 2D, eliminando a necessidade de analisar a informação na superfície do mesmo e não em seu volume, como se pensava! É o mesmo princípio com o Holograma que criamos em laboratório, ou no holograma do seu cartão de crédito, por exemplo, você deve observar de um certo ângulo para perceber uma codificação existente, aparentemente, no interior do adesivo holográfico.



Universo holográfico.



Trabalhos teóricos posteriores demonstraram que ondas quânticas microscópicas poderiam codificar as informações do interior do buraco negro na superfície bidimensional de seu horizonte de eventos.
Nosso Universo 3D pode ser uma projeção 2D em uma
 superfície de um Buraco Negro, assim como no Holograma. 



Sua descoberta foi apelidada de "princípio holográfico" porque ela mostra que a informação sobre um buraco negro tridimensional é codificada em sua superfície bidimensional, tal como um holograma.


Para propor um universo holográfico, Leonard Susskind e Gerard't Hooft estenderam esse princípio para todo o Universo. 

Desta forma, toda a informação contida no Universo, inclusive seus pensamento, estariam codificadas bidimensionalmente na esfera imaginária que circunda nosso Universo. Se estiver correta, a ideia pode ajudar a explicar como o Universo, e o tempo como nós o conhecemos, surgiu do "nada", assim como pode ajudar na busca da unificação da mecânica quântica, a teoria que governa as partículas em pequena escala, e a relatividade geral, que descreve o cosmos em grande escala, gerando uma teoria global da gravidade quântica ou Teoria de Tudo.

Informação dos buracos negros

Então, em 1996, Andrew Strominger (Universidade de Harvard) e seu colega Cumrun Vafa, derivaram uma descrição estatística precisa da entropia de um buraco negro em termos de estados de energia microscópicos na superfície do buraco negro.
Em particular, eles fizeram uma conexão com as equações normalmente usadas para descrever o comportamento das partículas: a Teoria Quântica de Campos.

Eles perceberam que as equações que estavam utilizando para descrever as propriedades do buraco negro eram semelhantes àquelas utilizadas para descrever um sistema de partículas utilizando a teoria quântica de campo, mas em um universo sem gravidade.

Um ano depois, Juan Maldacena, do Instituto de Estudos Avançados (IAS) em Princeton, descobriu uma equivalência matemática entre dois tipos de universos: o primeiro universo contém partículas que obedecem à teoria quântica de campos, mas não contém a gravidade; o segundo universo contém cordas e gravidade, e um tipo especial de geometria do espaço-tempo negativamente curvada (chamado de "universo anti-de Sitter"), ou um Universo de 5D, exatamente como o que se acredita ser encontrado dentro de buracos negros. Isso quer dizer que dentro de um buraco negro pode haver tanto um Universo 5D, quando um 4D e um 3D. Muito louco não?

Dois universos diferentes submetidos às mesmas leis da física: Um deles é o espaço-tempo de cinco dimensões (Anti-de Sitter) e seus limites de quatro dimensões nas quais a Teoria das Cordas é válida. A chamada Teoria de Campos Conformais abriga apenas 4 dimensões. Nesse caso o buraco negro de 3 dimensões nesse espaço de 5 dimensões equivale à radiação quente do holograma. Créditos: Scientific American. Tradução: Felipe Sérvulo


O Universo em um computador
Foto: Reprodução

O filme de 1999, Matrix, que utilizou de base o mito da caverna de Platão e a ideia chave da obra Alice no País das Maravilhas, mostra um mundo totalmente idealizado, nos quais podemos ter e ser o que quiser. Este mundo na verdade é uma realidade virtual computadorizada inicialmente criada por máquinas ultra avançadas e com inteligência artificial, em um futuro distante. No filme, as pessoas que se conectam a Matrix, sua projeção consciente ou o seu “eu digital” se desloca por este mundo digital, enquanto o seu corpo físico permanece num estado de transe induzido, sem contar que seu corpo foi sujeito a transplantes eletrônicos transformando literalmente um homem simples em mais uma cobaia das máquinas.

Seguindo esse conceito, segundo alguns cientistas, o nosso Universo pode ser uma projeção de um computador quântico de alguma civilização avançada ou até mesmo da própria raça humana do futuro. 

Para entendermos isso, devemos partir do Princípio da Incerteza de Heinsemberg: no mundo quântico ou subatômico, por exemplo, ao tentarmos medir a velocidade ou a posição de um elétron, estaremos interferindo na função de onda do mesmo, fazendo com que mude sua velocidade ou seu momento (posição em função do tempo), uma vez que, ao usarmos um fóton para a medição, este transfere energia para o elétron. Isso torna impossível medir a velocidade e o momento de um elétron simultaneamente. 

Da mesma forma, na computação, a informação é basicamente binária, este texto que você está lendo na verdade é um conjunto de zeros e uns, os famosos bits, transformando-os em outras sequências de zeros e uns, segundo um padrão lógico. No caso quântico, partículas interagem com outras partículas e mudam seu estado, que pode ser visto como “bits quânticos” (ou “qubits”), segundo uma lógica que nada mais é do que as próprias leis da física.

O que acontece é que nosso Universo tridimensional poderia ser completamente equivalente a campos quânticos alternativos e leis físicas "pintadas" na vasta superfície 2D de um buraco negro. Embora isto desafie o senso comum, existem indícios que comprovam isto, uma vez que um BN comporta matéria concentrada em densidade extrema. 

Essa superfície 2D do BN seria então uma informação quântica, formada por vários bits e que corresponde a quatro áreas de Planck (10^66cm²) representando o que chamamos de unidade de entropia de Shanmon (diferente da entropia de Boltzmann, já que trata de bits e não de informações termodinâmicas). Dados comprovam que a energia de um BN  de 1 cm equivale a 1066 bits, ou o mesmo que a energia termodinâmica de um cubo de água de 10 bilhões de Km de lado. 

Muitos físicos consideram os quarks e elétrons, como excitação de supercordas (como se fosse uma impressora 3D de um grande computador quântico, trabalhando no nível das cordas).

A entropia de um buraco negro é proporcional à área de seu horizonte de eventos. A área de Planck tem A/4 unidades de entropia. Fonte Scientific American. Tradução: Felipe Sérvulo

Considerando a idade do nosso Universo, segundo o pesquisador americano em computação quântica do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), Seth Lloyd, o cosmos possui atualmente, um total de 1090 bits à sua disposição. Ao escrevermos isso em notação científica, o número não impressiona muito, vamos tentar então do modo mais tradicional: 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000. Significa que nosso Universo caberia perfeitamente na superfície de um Buraco Negro descrito acima!

Tendo em vista todos estes dados, será que é possível que estejamos na verdade imersos numa simulação?

Confirmação da Hipótese

Se o nosso Universo é realmente uma projeção holográfica do futuro é algo que ainda está longe de qualquer tipo de teste observacional porque, até agora, só se demonstrou que a ideia é valida para este estranho modelo de universo de Vasiliev (na qual diz que nosso Universo é constituído de infinitos campos elétricos e magnéticos nas quais agem todas as forças da natureza bem como a natureza quântica e das cordas) em vez do nosso Universo real.

Nós apenas podemos esperar que nossas projeções holográficas durem um tempo suficiente para que os físicos possam testar a resposta, eventualmente enfrentando pelo caminho alguns imperadores entediados com nossas hipóteses. É necessário conhecermos mais a fundo nosso lugar no Cosmos e claro, desenvolver 100% a Teoria de Tudo. 

Fontes: 
Inovação Tecnológica 
NOGUEIRA, Salvador. O Universo Existe? Revista Superinteressante. 


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