O que é exatamente o espaço-tempo? E como isso está relacionado à Mecânica Quântica? Entender o nosso Universo é entender quem somos. Infelizmente, estamos longe disso, pelo menos de forma integral.
Rod Serling sabia tudo sobre dimensões.
Sua série Twilight Zone (‘Além da Imaginação’ no Brasil e ‘A Quinta Dimensão’ em Portugal) era uma dimensão da imaginação, uma dimensão da visão, do som e da mente, uma dimensão tão vasta quanto o espaço e intemporal como o infinito. Tudo ficou muito claro, exceto pela parte do espaço e do tempo, as dimensões da vida real. Serling nunca os explicou.
É claro que, desde Einstein, os cientistas também começaram a coçar suas cabeças para entender o espaço e o tempo. Antes disso, quase todo mundo achava que Isaac Newton havia entendido tudo. O tempo “flui de maneira uniforme sem relação com qualquer coisa externa”, declarou ele. O espaço absoluto também é coisa sua, “sempre semelhante e imóvel”. Nada a ver ali. Os eventos da realidade física eram realizados independentemente em um estágio neutro, onde os atores se exibiam e se agitavam sem influenciar o resto do teatro.
Mas as teorias de Einstein transformaram o absoluto espaço e tempo de Newton em uma mistura relativista – suas equações sugeriam um espaço-tempo mesclado, um novo tipo de arena em que os jogadores alteravam o espaço do campo de jogo. Muito o jogo para a física. O espaço e o tempo não mais forneciam um pano de fundo sem características para matéria e energia. Anteriormente independentes e uniformes, o espaço e o tempo tornaram-se inseparáveis e variáveis. E, como Einstein mostrou em sua teoria geral da relatividade, a matéria e a energia distorciam o espaço-tempo que as cercava. Essa verdade simples (ha!) explicava 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 ditava o movimento de corpos maciços, uma justiça simétrica, já que corpos massivos determinavam a forma do espaço-tempo.
A verificação da revolução do espaço-tempo de Einstein ocorreu há um século, quando uma expedição para analisar um eclipse confirmou a previsão principal de sua teoria geral (uma quantidade precisa de curvatura da luz passando perto da borda de um corpo massivo, neste caso o Sol). Mas o espaço-tempo permaneceu misterioso. Como era algo, ao invés de nada, era natural imaginar de onde vinha.
Agora, uma nova revolução está prestes a responder a essa pergunta, baseada em discernimentos de outras grandes surpresas da física 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 porque a mecânica quântica parece tão estranha.
“O espaço-tempo e a gravidade devem, em última instância, 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 do espaço-tempo foi enormemente bem-sucedida. Mas assim também tem sido a mecânica quântica, que descreve as maquinações de matéria e energia em escala atômica com precisão infalível. Tentativas de encontrar matemática coerente que acomodasse a esquisitice quântica com a gravidade geométrica, no entanto, encontraram obstáculos técnicos e conceituais formidáveis.
Pelo menos assim tem sido há muito tempo com as tentativas de entender o espaço-tempo ordinário. Mas pistas para um possível caminho para o progresso emergiram do estudo teórico de geometrias alternativas de espaço-tempo, pensáveis em princípio mas com propriedades incomuns. Um desses suplentes, conhecido como espaço anti-de Sitter, é estranhamente curvo e tende a desmoronar sobre si mesmo, em vez de se expandir à medida que o universo em que vivemos o faz. Não seria um bom lugar para se viver. Mas, como laboratório para estudar teorias da gravidade quântica, isto tem muito a oferecer. “A gravidade quântica é suficientemente rica e confusa, e até universos de brinquedo podem lançar uma enorme luz sobre a física”, escreve Swingle, da Universidade de Maryland (EUA).
Estudos do espaço anti-de Sitter sugerem, por exemplo, que a matemática que descreve a gravidade (isto é, a geometria do espaço-tempo) pode ser equivalente à matemática da física quântica em um espaço de uma dimensão a menos. Pense em um holograma – uma superfície plana e bidimensional que incorpora uma imagem tridimensional. De maneira semelhante, talvez a geometria quadridimensional do espaço-tempo pudesse ser codificada na matemática da física quântica operando em três dimensões. Ou talvez você precise de mais dimensões – o número de dimensões necessárias é parte do problema a ser resolvido.
Em qualquer caso, as investigações ao longo destas linhas revelaram uma possibilidade surpreendente: o espaço-tempo em si pode ser gerado pela física quântica, especificamente pelo desconcertante fenômeno conhecido como entrelaçamento quântico.
Como explicado popularmente, o emaranhamento é uma conexão assustadora que liga partículas separadas mesmo por grandes distâncias. Se emitidas a partir de uma fonte comum, essas partículas permanecem emaranhadas, não importa o quão longe elas voem umas das outras. Se você mede uma propriedade (como giro ou polarização) para uma delas, então você sabe qual seria o resultado da mesma medida para a outra. Mas antes da medição, essas propriedades ainda não estão determinadas, o que é um fato contraintuitivo verificado por muitos experimentos. Parece que a medição em um lugar determina qual será a medida em outro local distante.
Isso soa como se as partículas emaranhadas devem ser capazes de se comunicar mais rápido que a luz. Caso contrário, é impossível imaginar como uma delas poderia saber o que estava acontecendo com a outra através de uma vasta extensão do espaço-tempo. Mas elas na verdade não enviam nenhuma mensagem. Então, como as partículas emaranhadas transcendem o abismo do espaço-tempo 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 nos universos de brinquedos inspirou. “O surgimento do espaço-tempo e da gravidade é um fenômeno misterioso da física quântica de muitos corpos que gostaríamos de entender”, sugere Swingle em seu artigo da Annual Review. Esforço vigoroso de vários físicos de alto nível produziu evidências teóricas de que redes de estados quânticos emaranhados tecem o tecido do 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). 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 de qubits pode então ser igualada 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 certas construídas a partir do emaranhamento deve obedecer às equações gravitacionais do movimento”, escreve Swingle. “Esse resultado justifica ainda mais a afirmação de que o espaço-tempo surge do emaranhamento”.
Ainda assim, resta mostrar que as pistas encontradas em universos de brinquedo com dimensões extras levarão à verdadeira história do espaço-tempo ordinário em que os físicos reais dão o melhor de si. Ninguém realmente sabe exatamente quais processos quânticos no mundo real seriam responsáveis por tecer o tecido do espaço-tempo. Talvez algumas das suposições feitas nos cálculos até agora se tornem defeituosas. Mas pode ser que a física esteja à beira de investigar mais profundamente as fundações da natureza do que nunca, em uma existência que contém dimensões do espaço e do tempo (ou visão e som) anteriormente desconhecidas que podem acabar transformando a Twilight Zone em Reality TV.
(Fonte)
Imaginem só este tipo de informação sendo discutida por volta do século XV, ou antes. As pobres almas que o fizessem seriam imediatamente levadas para um tribunal da Inquisição e certamente queimadas em praça pública por praticarem bruxaria. Ninguém, além dos estudiosos que estariam sendo queimados, aceitaria a mecânica quântica como sendo uma realidade. Para aqueles no poder e para povo em geral, não passaria de uma ideia demoníaca.
Ainda bem que hoje já não se queimam pessoas em fogueiras – pelo menos não fisicamente – por terem uma ideia avançada demais para sua época. Porém, apesar de estarmos em pleno Século XXI, muitas vezes a ideia da existência do fenômeno OVNI / UFO, que é algo comprovadamente real, ainda leva muitas pessoas, inclusive pessoa que se dizem cientistas, a zombarem de qualquer um que afirme essa realidade.
Talvez elas façam isso numa tentativa de se projetarem como sendo mais inteligentes do que realmente são. Talvez façam isso porque essa é a “norma” imposta pela lavagem cerebral à qual a humanidade tem sido submetida por aqueles que se auto-denominaram “tabernáculos da informação verídica”. Talvez façam isso por simples ignorância. Todavia, essas pessoas querendo ou não, o fato desse fenômeno ser real é imutável. Resta-nos saber agora a sua real origem, tentando compará-la com o folclore criado ao seu redor, que pode ou não conter verdades.
Espero que estejamos próximos disso.