Entrelaçamento quântico pode “criar” o espaço-tempo

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Conceito artístico do entrelaçamento quântico entre dois átomos

Albert Einstein postulou que o espaço e o tempo são inextricavelmente ligados. Desde então, a ciência comprovou que a teia cósmica chamada espaço-tempo é real. Ótimo. Mas como explicá-la? De onde ela surge?

Um novo tipo de pesquisa pode ter a resposta para essa misteriosa pergunta, baseado em insights de uma outra grande surpresa da física do século passado: a mecânica quântica.

Para entender o que significa esse “espaço-tempo”, considere que, antes de Einstein, Isaac Newton sugeriu que o tempo fluía de maneira uniforme sem relação com qualquer coisa externa, e que o espaço também era absoluto e imóvel.

No entanto, as equações de Einstein transformaram o espaço e o tempo de Newton em uma mistura relativista, longe de absoluta.

Atualmente, sabemos que a visão de Einstein da gravidade como a manifestação da geometria do espaço-tempo está correta. No entanto, cientistas também já descobriram e provaram a eficácia da mecânica quântica, outra teoria importante do universo, que descreve a matéria e a energia em escala atômica com uma precisão infalível. O problema é que a teoria de Einstein e a mecânica quântica parecem incompatíveis.

Emaranhamento quântico

O físico Brian Swingle, da Universidade de Harvard (EUA), publicou um artigo bastante compreensivo sobre o assunto na revista científica Annual Review of Condensed Matter Physics. Nele, explica que o “espaço-tempo e a gravidade devem, em última instância, emergir de outra coisa”. Caso contrário, é impossível conciliar a gravidade de Einstein e a matemática da mecânica quântica.

Uma das hipóteses mais interessantes para unir a esquisitice quântica com a gravidade geométrica envolve o fenômeno bizarro conhecido como emaranhamento quântico.

Espaço-tempo

A ideia é de que o emaranhamento (ou entrelaçamento) quântico é a base subjacente para as quatro dimensões do espaço e do tempo em que todos vivemos. Neste caso, nossa realidade não passaria de um “holograma” desse estado quântico.

Quando duas partículas são capazes de interagir simultaneamente e instantaneamente uma com a outra apesar de estarem separadas por grandes distâncias, dizemos que elas estão quanticamente emaranhadas.

Segundo as regras do espaço-tempo, isso significa que as partículas às vezes se comunicam de forma mais rápida que a velocidade da luz – de que outra forma interagiriam de maneira instantânea? Talvez, porém, elas na verdade não enviem nenhuma mensagem. Nessa hipótese maluca, as partículas emaranhadas transcendem o abismo do espaço-tempo que as separa simplesmente porque o emaranhamento não acontece no espaço-tempo, e sim cria o espaço-tempo.

Holograma

Claro, explicar essa hipótese em detalhes envolve formulações densas e complicadas, mas o conceito central é de que a matemática que descreve as quatro dimensões que experimentamos – comprimento, largura, profundidade e tempo – é a mesma que a matemática subjacente a uma dimensão tridimensional de um estado quântico.

Em outras palavras, a matemática que descreve a gravidade (isto é, a geometria do espaço-tempo) pode ser equivalente à matemática da física quântica em um espaço com uma dimensão a menos. Pense em um holograma – uma superfície plana e bidimensional que incorpora uma imagem tridimensional.

O “impossível” é alcançado: físicos criam holograma quântico

De maneira semelhante, talvez o universo seja um holograma e a geometria quadridimensional do espaço-tempo possa ser codificada na matemática da física quântica operando em três dimensões.

Pelo menos essa é a proposta que a pesquisa teórica atual com modelos de universos tem inspirado. De acordo com Swingle, vários físicos de alto nível têm produzido evidências teóricas de que redes de estados quânticos emaranhados podem tecer o tecido do espaço-tempo.

Qubits

Esses estados quânticos são frequentemente descritos como “qubits”, ou bits de informação quântica (como bits de computador comuns que, em vez de existirem na forma de 0 ou de 1, existem em uma mistura de 1 e 0 ao mesmo tempo).

Qubits emaranhados criam redes no espaço com uma dimensão extra além do número de dimensões em que os próprios qubits vivem. Assim, a física quântica de qubits pode ser igualada à geometria de um espaço com uma dimensão extra.

O melhor de tudo é que a geometria criada pelos qubits entrelaçados parece obedecer muito bem às equações da relatividade geral de Einstein que descrevem o movimento devido à gravidade.

“Aparentemente, uma geometria com as propriedades certas construídas a partir do emaranhamento deve obedecer às equações gravitacionais do movimento”, escreveu Swingle. “Esse resultado justifica ainda mais a afirmação de que o espaço-tempo surge do emaranhamento”. Os cálculos batem: nosso universo pode ser um holograma

Longo caminho pela frente

Vale notar que as suposições que os cientistas fazem baseados em modelos de universos com dimensões extras podem estar equivocadas. Ou seja, por enquanto, ainda é um mistério se elas levarão à verdadeira história do espaço-tempo em que nós vivemos.

Mas pode ser que a física esteja à beira de entender mais profundamente as fundações da natureza do que nunca, em uma existência que contém dimensões do espaço e do tempo anteriormente desconhecidas.