Nosso universo é um holograma projetado por outra dimensão? Talvez!

Nosso universo é um holograma projetado por outra dimensão? Talvez!

Por Daniele Cavalcante | Editado por Patrícia Gnipper | 25 de Fevereiro de 2022 às 20h40
Institute for Theoretical Physics TU Wien

Um novo estudo está utilizando computação quântica e inteligência artificial para determinar o que há dentro de um buraco negro — e, de quebra, se estamos vivendo em uma projeção holográfica. O que uma coisa tem a ver com a outra? A resposta é uma das hipóteses que tentam conciliar a Relatividade Geral de Albert Einstein e a mecânica quântica. Calma, a gente explica!

Antes de nos aprofundarmos melhor no assunto, é preciso lembrar, no entanto, que quando os cientistas falam em "universo holográfico" não significa que estamos em uma simulação de computador, ou que tudo é uma ilusão criada por alienígenas de universos paralelos. Mas sim que existem outras dimensões que não podemos enxergar, mas diretamente responsáveis por "dar forma" à matéria visível.

Ilustração de um buraco negro (Imagem: Reprodução/NASA)

O novo estudo é uma tentativa de testar essa ideia através de uma matriz quântica que representa um tipo específico de buraco negro. Apesar das limitações atuais da nossa tecnologia, eles conseguiram mostrar que a técnica, aliada ao aprendizado de máquina, teve sucesso em encontrar o "estado fundamental" das partículas dessa matriz.

Isso significa que, no futuro, é possível que os físicos consigam usar computadores quânticos para matrizes maiores e descrever matematicamente o que acontece na superfície de um buraco negro. Seguindo um conceito chamado princípio holográfico, isso permitirá calcular o que acontece dentro do buraco negro e, por consequência, isso levaria a uma revolucionária teoria da gravidade quântica.

Relatividade Geral x mecânica quântica

A Relatividade Geral e as leis da mecânica quântica já foram comprovadas por inúmeros e exaustivos testes, mas falham quando os cientistas tentam unificá-las. A primeira descreve a gravidade no universo em grande escala, enquanto a segunda explica as partículas que formam a matéria.

Einstein mostrou que o espaço e o tempo podem ser pensados ​​como uma unidade contínua, o espaço-tempo, algo geralmente descrito como uma espécie de “tecido” — uma metáfora útil, já que não podemos enxergar essa estrutura. É aí onde mora o problema: como explicá-lo em escalas menores se não podemos enxergá-lo?

Cientistas já propuseram um espaço-tempo modular para explicá-lo no nível quântico (Imagem: Reprodução/Science Photo Library)

Na mecânica quântica, tudo é explicado por meio das partículas, inclusive as mais fundamentais, como os quarks que formam os prótons e nêutrons (que por sua vez formam o núcleo dos átomos). Mas não existe nenhuma partícula que forma o espaço-tempo (apesar de algumas hipóteses sugerirem o contrário).

Além disso, não há nenhuma evidência da atuação de uma força gravitacional no mundo quântico. Na verdade, as duas teorias, por mais estabelecidas que estejam por meio de experimentos observacionais, não são compatíveis. Por isso os físicos buscam uma “falha” em alguma delas, ou uma nova física que as unifique.

E é aí que entram os buracos negros, pois eles parecem ser a chave desse mistério. O “núcleo” de um buraco negro seria muito menor que as partículas da mecânica quântica, menores até mesmo do que as leis da física atual permitem. Mas, ainda assim, a singularidade exerceria uma enorme força gravitacional. Mas como?

Há outras contradições, como o paradoxo da informação. Basicamente, as informações que cada partícula do universo carrega não podem se perder (de acordo com as leis da termodinâmica quântica). Mas muitas partículas são “engolidas” pelos buracos negros, que, por sua vez, um dia devem simplesmente evaporar. Para onde, então, vão aquelas informações que não podem desaparecer?

Nem a mecânica quântica, nem a Relatividade Geral, explicam essas questões. Por isso, os cientistas tentam buscar uma nova teoria que não apenas as unifica, mas que também explique todo o universo — a teoria de tudo. Uma das candidatas mais conhecidas é a Teoria das Cordas.

Dualidade holográfica

Representação artística de um buraco negro (Imagem: Reprodução/Salvatore Orlando/Sketchfab)

Existem várias hipóteses que tentam resolver esse problema, como a Teoria das Cordas, e a ideia do “cabelo macio”, proposta por Stephen Hawking, no último trabalho de sua vida, ao lado de colegas. Essas ideias têm em comum a evocação de uma espécie de holograma.

Na ideia chamada dualidade holográfica, os movimentos das partículas em um plano bidimensional acima do buraco negro refletem os movimentos tridimensionais do buraco negro. Isso seria como enxergar uma realidade holográfica, uma projeção 3D do que está acontecendo em outros níveis.

Imagine a superfície de um lago — a metáfora favorita de cientistas e professores para explicar a função de ondas das partículas, ou as ondas gravitacionais. Quando atiramos uma pedra na água parada, a turbulência na superfície gera ondas concêntricas, assim como acontece com o espaço-tempo quando dois buracos negros se chocam.

No entanto, se as ondulações estão na superfície do lado, há mundo muito mais complexo e cheio de segredos ocultos por baixo. Essa é a proposta da dualidade holográfica, e as primeiras conexões entre superfície e este submundo foram mostradas em 1997.

Naquele ano, um físico da Universidade de Harvard mostrou que os eventos que ocorrem em uma região 3D do espaço correspondem matematicamente a eventos muito diferentes que ocorrem na fronteira 2D dessa mesma região. Isso originou um novo princípio matemático. Do mesmo modo, eventos em 4D também correspondem a eventos em 3D, e assim por diante.

Ondas em um lado são metáforas para eventos em uma superfície 2D que se traduzem matematicamente no "mundo" 3D abaixo (Imagem: Reprodução/Gerd Altmann/Pixabay)

A dualidade holográfica está relacionada à Teoria das Cordas, um modelo que desenvolvido para unificar a Relatividade Geral e a mecânica quântica, e prevê 11 dimensões. Apesar de matematicamente “elegante”, a teoria ainda não foi comprovada. Nela, elétrons, fótons, quarks, e as demais partículas fundamentais são linhas unidimensionais, ou “cordas”.

Quanto à massa e outras propriedades que podemos ver e tocar, elas são, na verdade, as vibrações das cordas, e as interações entre diferentes as matérias e forças fundamentais da natureza vêm da forma como as cordas se dividem e se conectam.

De volta à superfície 2D do lago, podemos fazer o seguinte paralelo: as partículas são os respingos na superfície e as ondas são as ondulações geradas (isso não se aplica no caso das ondas gravitacionais, mencionadas na metáfora anteriormente, pois elas se movem apelas pelo espaço-tempo, que não é formado por partículas; ou seja, não há força de gravidade neste exemplo).

Então, onde está a gravidade? Está com os demais eventos, na região interior do lago, todos bem descritos pela teoria das cordas. Por outro lado, os eventos da superfície representam tudo o que pode ser descrito pela mecânica quântica e está livre da gravidade.

Uma dimensão acima projeta a superfície da dimensão abaixo, como um holograma (Imagem: Reprodução/M. Amon/Universidade Friedrich Schiller)

Ambas as dimensões não podem ser explicadas fora de seus domínios, mas há uma relação intrínseca entre elas: se observamos um sistema onde a teoria da gravidade é fácil de analisar, as partículas na fronteira (na superfície do lado) estão interagindo muito fortemente umas com as outras. E quando as partículas estão calmas na superfície, o interior da lagoa está em situação extremamente complexa.

É nesse contraste que temos uma dualidade, enquanto o termo “holográfico” diz respeito à essa projeção proporcionalmente “inversa” de uma dimensão sobre a outra. Se a dimensão 2D da nossa lagoa está turbulenta, é matematicamente correto dizer que a águas estão paradas no interior 3D.

Seguindo esse princípio, os físicos podem compreender o comportamento no nível da superfície estudando a situação no 3D, e vice-versa. Se as águas abaixo estão paradas, tudo é mais simples de analisar e calcular, e isso facilita descobrir o que se passa na superfície.

Mas por que falam em "universo holográfico"? É que, segundo esse modelo, a entropia (quantidade de informação) da massa dos objetos é proporcional à área da sua superfície e não ao volume. Em outras palavras, estamos vendo apenas uma projeção do que acontece em dimensões às quais não temos acesso, mas são explicadas na Teoria das Cordas.

Tá, mas e o buraco negro?

Ilustração que demonstra nosso universo como uma projeção holográfica de eventos físicos em uma dimensão abaixo (Imagem: Reprodução/Institute for Theoretical Physics TU Wien)

Acontece que, há alguns anos, os físicos trabalham com materiais incríveis chamados cupratos, que são aproximadamente 2D, para estudar as propriedades relacionadas do que pode ser sua contraparte 3D: um buraco negro eletricamente carregado e de formato peculiar.

Essa é a beleza e elegância da matemática por trás do princípio da dualidade holográfica — é quase um virtuosismo numérico comparável às sinfonias de Beethoven. Ele permite que os próprios buracos negros sejam analisados em modelos computacionais ao nível quântico.

Na prática, movimentos das partículas em um plano bidimensional “acima” do buraco negro (o que seria a superfície daquele lago) refletem matematicamente os movimentos tridimensionais do buraco negro. O problema é que os computadores quânticos ainda não são avançados (nem econômicos) o suficiente para lidar com uma simulação que reproduza esses comportamentos.

Mesmo assim, os pesquisadores testaram em uma escala menor, ou seja, uma pequena matriz computacional que representa uma projeção de um buraco negro. Eles usaram um circuito de qubits (bits quânticos) para definir a descrição matemática do estado quântico da matriz, chamado de função de onda quântica.

Representação de como a dimensão em que vivemos seria projetada em um holograma (Imagem: Reprodução/Alfred T. Kamajian/Uppsala University Department of Physics)

Em seguida, eles usam uma rede neural especial para encontrar a função de onda da matriz com a menor energia possível (seu estado fundamental). Os números da rede neural passam por um processo de otimização até encontrar o estado fundamental do modelo de matriz.

Os autores do estudo comparam o estado fundamental com o ato de bater em um balde de areia para que todos os seus grãos sejam nivelados. "Outros métodos que as pessoas normalmente usam podem encontrar a energia do estado fundamental, mas não toda a estrutura da função de onda", disseram. “Mostramos como obter todas as informações sobre o estado fundamental usando essas novas tecnologias”.

Contudo, os circuitos quânticos são limitados por um pequeno número de qubits, e quanto mais adicionam, mais caro fica e menor será a precisão do processo de busca do estado fundamental. Por isso esse estudo é apenas o “pontapé” inicial nesse tipo de pesquisa, mas a técnica se mostrou eficaz.

As matrizes produzidas no computador quântico são uma representação para um tipo especial de buraco negro, então se os cientistas descobrirem como elas estão organizadas e quais são suas propriedades, poderão finalmente saber como é um buraco negro por dentro, o que há no horizonte de eventos, e, talvez, darão mais um passo para encontrar a teoria de tudo.

Fonte: Space.comEurekAlertWiredFriedrich Schiller University

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