Por mais de duas décadas, os físicos refletiram sobre como a estrutura do espaço-tempo pode emergir de algum tipo de emaranhamento quântico. No laboratório de Monika Schleier-Smith na Universidade de Stanford, o experimento mental está se tornando real.
As perspectivas de testar diretamente uma teoria da gravidade quântica são fracas, para dizer o mínimo. Para sondar a ultra-minúscula escala de Planck, onde aparecem os efeitos gravitacionais quânticos, você precisaria de um acelerador de partículas tão grande quanto a Via Láctea. Da mesma forma, os buracos negros possuem singularidades que são governadas pela gravidade quântica, mas nenhum buraco negro está particularmente próximo – e mesmo se estivessem, nunca poderíamos esperar ver o que está dentro. A gravidade quântica também atuou nos primeiros momentos do Big Bang, mas os sinais diretos daquela era já se foram, deixando-nos decifrar pistas sutis que apareceram pela primeira vez centenas de milhares de anos depois.
Mas em um pequeno laboratório nos arredores de Palo Alto, a professora da Universidade de Stanford Monika Schleier-Smith e sua equipe estão tentando uma maneira diferente de testar a gravidade quântica, sem buracos negros ou aceleradores de partículas do tamanho de galáxias. Os físicos vêm sugerindo há mais de uma década que a gravidade – e até o próprio espaço-tempo – pode emergir de uma estranha conexão quântica chamada emaranhamento. Schleier-Smith e seus colaboradores estão fazendo a engenharia reversa do processo. Ao projetar sistemas quânticos altamente emaranhados em um experimento de mesa, Schleier-Smith espera produzir algo que se pareça e atue como o espaço-tempo deformado previsto pela teoria da relatividade geral de Albert Einstein.
Em um artigo publicado em junho, sua equipe anunciou seu primeiro passo experimental ao longo dessa rota: um sistema de átomos aprisionados pela luz, com conexões feitas sob encomenda, finamente controladas por campos magnéticos. Quando ajustadas da maneira certa, as correlações de longa distância neste sistema descrevem uma geometria semelhante a uma árvore, semelhante às vistas em modelos simples de espaço-tempo emergente. Schleier-Smith e seus colegas esperam construir sobre este trabalho para criar análogos para geometrias mais complexas, incluindo aquelas de buracos negros. Na ausência de novos dados da física de partículas ou cosmologia – um estado de coisas que poderia continuar indefinidamente – este poderia ser o caminho mais promissor para colocar as idéias mais recentes sobre a gravidade quântica à prova.
Os perigos das previsões perfeitas
Por cinco décadas, a teoria prevalecente da física de partículas, o Modelo Padrão, encontrou quase nada além de sucesso – para a frustração sem fim dos físicos de partículas. O problema reside no fato de que o Modelo Padrão, apesar de seu sucesso, é claramente incompleto. Não inclui a gravidade, apesar da longa busca por uma teoria da gravidade quântica para substituir a relatividade geral. Nem pode explicar a matéria escura ou energia escura, que respondem por 95% de todas as coisas no universo. (O Modelo Padrão também tem problemas com o fato de que os neutrinos têm massa – o único fenômeno da física de partículas que ele falhou em prever.)
Além disso, o próprio Modelo Padrão dita que além de um certo limite de alta energia – intimamente relacionado à escala de Planck – ele quase certamente falha.
Os físicos estão desesperados por dados experimentais intrigantes que possam ajudar a guiá-los enquanto constroem a substituição do Modelo Padrão. A teoria das cordas, ainda a principal candidata a substituir o modelo padrão, muitas vezes foi acusada de não ser testável. Mas uma das características mais estranhas da teoria das cordas sugere uma maneira de testar algumas ideias sobre a gravidade quântica que não requerem proezas impraticáveis da arquitetura galáctica.
A teoria das cordas está repleta de dualidades – relações entre diferentes sistemas físicos que compartilham a mesma estrutura matemática. Talvez a mais surpreendente e consequente dessas dualidades seja uma conexão entre um tipo de teoria quântica em quatro dimensões sem gravidade, conhecida como teoria de campo conforme (CFT), e um tipo particular de espaço-tempo pentadimensional com gravidade, conhecido como um espaço anti-de Sitter (AdS). Esta correspondência AdS / CFT, como é conhecida, foi descoberta pela primeira vez em 1997 pelo físico Juan Maldacena, agora no Institute for Advanced Study.
Como o CFT tem uma dimensão a menos do que o espaço AdS, o primeiro pode ser pensado como estando na superfície do último, como a casca bidimensional de uma maçã tridimensional. No entanto, a teoria quântica na superfície ainda captura totalmente todas as características do volume interno – como se você pudesse dizer tudo sobre o interior de uma maçã apenas olhando para sua casca. Este é um exemplo do que os físicos chamam de holografia: um espaço de dimensão inferior dando origem a um espaço de dimensão superior, como um holograma plano produzindo uma imagem 3D.
Na correspondência AdS / CFT, o espaço interior ou “bulk” emerge das relações entre os componentes quânticos na superfície. Especificamente, a geometria do espaço em massa é construída a partir do emaranhamento, as conexões quânticas “assustadoras” que incomodaram Einstein de maneira infame. As regiões vizinhas da massa correspondem a porções altamente emaranhadas da superfície. Regiões distantes da massa correspondem a partes menos emaranhadas da superfície. Se a superfície tiver um conjunto simples e ordenado de relações de emaranhamento, o espaço em massa correspondente estará vazio. Se a superfície for caótica, com todas as suas partes emaranhadas com todas as outras, a massa formará um buraco negro.
A correspondência AdS / CFT é uma visão profunda e frutífera das conexões entre a física quântica e a relatividade geral. Mas isso não descreve realmente o mundo em que vivemos. Nosso universo não é um espaço anti-de Sitter de cinco dimensões – é um espaço quadridimensional em expansão com uma geometria “plana”.
Portanto, nos últimos anos, os pesquisadores propuseram outra abordagem. Em vez de começar do grosso – nosso próprio universo – e procurar o tipo de padrão de emaranhamento quântico que poderia produzi-lo, podemos seguir o outro caminho. Talvez os experimentadores pudessem construir sistemas com emaranhados interessantes – como o CFT na superfície – e pesquisar qualquer analogia para a geometria e gravidade do espaço-tempo que surgisse.
É mais fácil falar do que fazer. Ainda não é possível construir um sistema como qualquer um dos sistemas quânticos de forte interação conhecidos por ter duais gravitacionais. Mas os teóricos mapearam apenas uma pequena fração dos sistemas possíveis – muitos outros são complexos demais para estudar teoricamente com as ferramentas matemáticas existentes. Para ver se algum desses sistemas realmente produz algum tipo de geometria espaço-temporal, a única opção é construí-los fisicamente no laboratório e ver se eles também têm um dual gravitacional. “Essas construções experimentais podem nos ajudar a descobrir esses sistemas”, disse Maldacena. “Pode haver sistemas mais simples do que os que conhecemos.” Assim, os teóricos da gravidade quântica recorreram a especialistas na construção e controle do emaranhamento em sistemas quânticos, como Schleier-Smith e sua equipe.
A gravidade quântica encontra átomos frios
“Há algo realmente elegante na teoria da mecânica quântica que eu sempre amei”, disse Schleier-Smith. “Se você for para o laboratório, verá que há cabos por todo o lugar e todos os tipos de eletrônicos que tivemos que construir e sistemas de aspiração e hardware de aparência bagunçada. Mas, no final do dia, você pode fazer um sistema que seja limpo e controlado de tal forma que seja bem mapeado nesse tipo de teoria elegante que você pode escrever no papel.”
Esta elegância desordenada tem sido uma marca registrada do trabalho de Schleier-Smith desde seus dias de graduação no Instituto de Tecnologia de Massachusetts, onde ela usou luz para induzir coleções de átomos em estados emaranhados específicos e demonstrou como usar esses sistemas quânticos para construir relógios atômicos mais precisos . Depois do MIT, ela passou alguns anos no Instituto Max Planck de Óptica Quântica em Garching, Alemanha, antes de pousar em Stanford em 2013. Alguns anos depois, Brian Swingle, um físico teórico então em Stanford trabalhando com teoria das cordas e gravidade quântica e outros assuntos relacionados, entraram em contato com ela com uma pergunta incomum.”Escrevi um e-mail para ela dizendo, basicamente,? Você pode reverter o tempo em seu laboratório?'”, Disse Swingle. “E ela disse sim. E então começamos a conversar.”
Swingle queria reverter o tempo para estudar os buracos negros e um fenômeno quântico conhecido como embaralhamento. No embaralhamento quântico, as informações sobre o estado de um sistema quântico são rapidamente dispersas por um sistema maior, tornando muito difícil recuperar as informações originais. “Os buracos negros são misturadores de informações muito bons”, disse Swingle. “Eles escondem informações muito bem.” Quando um objeto é jogado em um buraco negro, as informações sobre esse objeto são rapidamente ocultadas do resto do universo. Entender como os buracos negros obscurecem as informações sobre os objetos que caem neles – e se essas informações estão simplesmente ocultas ou realmente destruídas – tem sido o foco principal da física teórica desde os anos 1970.
Na correspondência AdS / CFT, um buraco negro na massa corresponde a uma densa teia de emaranhamento na superfície que embaralha as informações que chegam muito rapidamente. Swingle queria saber como seria um sistema quântico de embaralhamento rápido no laboratório e percebeu que, para confirmar que o embaralhamento estava ocorrendo o mais rápido possível, os pesquisadores precisariam controlar rigidamente o sistema quântico em questão, com a capacidade para reverter perfeitamente todas as interações. “O meio óbvio de fazer isso exigia a capacidade de avançar e retroceder o sistema com eficácia”, disse Swingle. “E isso não é algo que você pode fazer em um tipo de experimento diário.” Mas Swingle sabia que o laboratório de Schleier-Smith poderia ser capaz de controlar o emaranhamento entre os átomos com cuidado o suficiente para reverter perfeitamente todas as suas interações, como se o tempo estivesse correndo para trás. “Se você tem este sistema quântico de muitos corpos agradável, isolado, bem controlado e altamente projetado, talvez tenha uma chance”, disse ele.
Então, Swingle estendeu a mão para Schleier-Smith e disse a ela o que ele queria fazer. “Ele me explicou essa conjectura de que esse processo de embaralhamento – que há um limite de velocidade fundamental para a rapidez com que isso pode acontecer”, disse Schleier-Smith. “E que se você pudesse construir um sistema quântico no laboratório que embaralhe neste limite de velocidade fundamental, então talvez isso seria algum tipo de análogo de um buraco negro.” Suas conversas continuaram e, em 2016, Swingle e Schleier-Smith foram coautores de um artigo, junto com Patrick Hayden, outro teórico de Stanford, e Gregory Bentsen, um dos alunos de graduação da Schleier-Smith na época, delineando um método viável para a criação e sondando o embaralhamento quântico rápido no laboratório.
Esse trabalho deixou Schleier-Smith contemplando outras questões gravitacionais quânticas que seu laboratório poderia investigar. “Isso me fez pensar … talvez essas sejam realmente boas plataformas para serem capazes de realizar alguns modelos de brinquedo da gravidade quântica que são difíceis de realizar por outros meios”, disse ela. Ela começou a considerar uma configuração em que pares de átomos seriam emaranhados, e então cada par seria emaranhado com outro par, e assim por diante, formando uma espécie de árvore. “Parecia um tanto rebuscado realmente fazer isso, mas pelo menos eu poderia imaginar no papel como você projetaria um sistema onde você pudesse fazer isso”, disse ela. Mas ela não tinha certeza se isso realmente correspondia a algum modelo conhecido de gravidade quântica.
Intensa e afável, Schleier-Smith tem um entusiasmo contagiante por seu trabalho, como seu aluno Bentsen descobriu. Ele havia começado seu trabalho de doutorado em Stanford em física teórica, mas Schleier-Smith conseguiu trazê-lo para seu grupo de qualquer maneira. “Eu meio que o convenci a fazer experimentos”, ela lembrou, “mas ele manteve o interesse pela teoria também e gostava de conversar com teóricos do departamento”. Ela discutiu sua nova ideia com Bentsen, que a discutiu com Sean Hartnoll, outro teórico de Stanford. Hartnoll, por sua vez, foi o casamenteiro, conectando Schleier-Smith e Bentsen com Steven Gubser, um teórico da Universidade de Princeton. (Gubser morreu mais tarde em um acidente de escalada.)
Na época, Gubser estava trabalhando em uma reviravolta na correspondência AdS / CFT. Em vez de usar o tipo familiar de números que os físicos geralmente usam, ele estava usando um conjunto de sistemas numéricos alternativos conhecidos como números p-ádicos. A principal distinção entre os p-ádicos e os números “reais” comuns é a maneira como o tamanho de um número é definido. Nos p-ádicos, o tamanho de um número é determinado por seus fatores principais. Existe um sistema numérico p-adic para cada número primo: o 2-adics, o 3-adics, o 5-adics e assim por diante. Em cada sistema numérico p-ádico, quanto mais fatores um número tiver que sejam múltiplos de p, menor será esse número. Então, por exemplo, no 2-adics, 44 está muito mais próximo de 0 do que de 45, porque 44 tem dois fatores que são múltiplos de 2, enquanto 45 não tem nenhum. Mas no 3-adics, é o contrário; 45 está mais próximo de 0 do que de 44, porque 45 tem dois fatores que são múltiplos de 3. Cada sistema numérico p-ádico também pode ser representado como um tipo de árvore, com cada ramo contendo números que possuem o mesmo número de fatores que são múltiplos de p.
Usando os p-adics, Gubser e outros descobriram um fato notável sobre a correspondência AdS / CFT. Se você reescrever a teoria da superfície usando os números p-ádicos em vez dos reais, o volume é substituído por uma espécie de árvore infinita. Especificamente, é uma árvore com ramos infinitos compactados em um espaço finito, semelhante à estrutura dos próprios números p-ádicos. Os p-adics, escreveu Gubser, são “naturalmente holográficos”.
“A estrutura dos números p-ádicos sobre a qual [Gubser] me falou me lembrou da maneira como os átomos de Monika interagiam uns com os outros”, disse Hartnoll, “então eu os coloquei em contato”. Gubser foi coautor de um artigo em 2019 com Schleier-Smith, Bentsen e outros. No artigo, a equipe descreveu como fazer algo semelhante à árvore p-ádica emergir de átomos emaranhados em um laboratório real. Com o plano em mãos, Schleier-Smith e sua equipe começaram a trabalhar.
Construindo Espaço-Tempo no Laboratório
O laboratório de Schleier-Smith em Stanford é uma densa floresta de espelhos, lentes e cabos de fibra óptica que circundam uma câmara de vácuo no centro da sala. Nessa câmara de vácuo, 18 minúsculas coleções de átomos de rubídio – cerca de 10.000 por grupo – são organizadas em uma linha e resfriadas a temperaturas incrivelmente baixas, uma fração de grau acima do zero absoluto. Um laser especialmente sintonizado e um campo magnético que aumenta de uma extremidade da câmara para a outra permitem que os experimentadores escolham quais grupos de átomos se correlacionam entre si.
Usando esta configuração de laboratório, Schleier-Smith e seu grupo de pesquisa foram capazes de obter os dois grupos de átomos nas extremidades da linha tão correlacionados quanto os grupos vizinhos estavam no meio da linha, conectando as extremidades e transformando a linha em um círculo de correlações. Eles então persuadiram a coleção de átomos em uma estrutura semelhante a uma árvore. Tudo isso foi realizado sem mover os átomos de forma alguma – a correlação “geometria” estava totalmente desconectada da geometria espacial real dos átomos.
Embora a estrutura em árvore formada pelos átomos interagindo no laboratório de Schleier-Smith não seja uma realização completa do AdS / CFT p-ádico, é “um primeiro passo para a holografia no laboratório”, disse Hayden. Maldacena, o criador da correspondência AdS / CFT, concorda: “Estou muito animado com isso”, disse ele. “Nosso assunto sempre foi muito teórico e, portanto, esse contato com a experiência provavelmente levantará mais questões.”
Hayden vê isso como o caminho do futuro. “Em vez de tentar entender o surgimento do espaço-tempo em nosso universo, vamos apenas fazer universos de brinquedo no laboratório e estudar o surgimento do espaço-tempo lá”, disse ele. “E isso parece uma coisa louca de se fazer, certo? Tipo um cientista maluco meio maluco, certo? Mas eu acho que realmente é provável que seja mais fácil fazer isso do que testar diretamente a gravidade quântica.”
Schleier-Smith também está otimista quanto ao futuro. “Ainda estamos na fase de obter mais e mais controle, caracterizando os estados quânticos que temos. Mas … eu adoraria chegar a esse ponto em que não sabemos o que vai acontecer”, disse ela. “E talvez medamos as correlações no sistema e aprendemos que há uma descrição geométrica, alguma descrição holográfica que não sabíamos que estava lá. Isso seria legal.”
Publicado em 07/09/2021 22h07
Artigo original:
- https://www.quantamagazine.org/one-labs-quest-to-build-space-time-out-of-quantum-particles-20210907/