Vijay Balasubramanian investiga se o tecido do universo pode ser construído a partir de informações e o que significa que os físicos podem até fazer essa pergunta.
Em 1989, o renomado físico John Wheeler, popularizador do termo “buraco negro”, propôs uma nova maneira radical de pensar o universo. As partículas quânticas podem mudar de forma e desaparecer, mas sempre podemos contar com as informações: as respostas reveladas quando fazemos perguntas por meio de medições. Wheeler especulou que pedaços de informação – se algo está presente ou ausente, para cima ou para baixo, 0 ou 1 – poderiam ser os ingredientes fundamentais da realidade. “Toda quantidade física, tudo isso, deriva seu significado final de bits, indicações binárias de sim ou não”, escreveu ele em um ensaio que prevê um cosmos “isso de bits”.
Nas décadas seguintes, vários desenvolvimentos abstratos levaram muitos físicos a se perguntarem se a tese de Wheeler poderia desvendar um quebra-cabeça profundo: a natureza quântica da gravidade. A teoria geral da relatividade de Albert Einstein unificou a gravidade com o tecido do espaço-tempo, reinterpretando a força gravitacional como objetos caindo ao longo dos contornos curvos do cosmos. No entanto, a teoria quântica luta para explicar essas curvas em sua linguagem de partículas e campos. O conflito está em plena exibição nos buracos negros, que deformam o espaço tão severamente que a natureza quântica mais fundamental da gravidade não pode ser ignorada.
As dicas de que a área de superfície de um buraco negro importa mais do que seu volume levaram a uma descoberta surpreendente em 1998: um universo de brinquedo que se curva como uma sela, chamado espaço anti-de Sitter (AdS), é matematicamente equivalente ao seu limite de dimensão inferior. Nesse mundo imaginário, a direção que aponta para o interior parece ilusória, como a profundidade de um holograma.
À medida que os teóricos estudam buracos negros e outros objetos no espaço AdS, eles continuam aprendendo lições do tipo Wheeler. Uma é que a conectividade do espaço – a capacidade de ir de um lugar para outro – parece resultar de partículas no limite ligadas por correlações conhecidas como emaranhamento quântico. Se uma partícula está apontando para cima, por exemplo, isso indica que seu parceiro emaranhado aponta para baixo. Esse tipo de compartilhamento de informações no limite do espaço AdS parece permitir a estrutura volumosa do interior.
Vijay Balasubramanian, da Universidade da Pensilvânia, é um dos físicos que trabalham para traduzir as ideias grandiosas de Wheeler em matemática nítida. A pesquisa em que ele e seus colegas se envolvem agora atende pelo slogan “it from qubit”, já que bits quânticos, ou qubits – combinações complexas de 0s e 1s – são mais gerais do que os bits clássicos. Em 1999, Balasubramanian descobriu como calcular massa e energia em universos AdS em termos de informações sobre partículas na fronteira. Desde então, ele fez contribuições fundamentais para as teorias de buracos negros e gravidade quântica estudando o conteúdo de informações de vários sistemas.
Um polímata brincalhão que é propenso a pular da física para Proust no meio da conversa, Balasubramanian dirige um segundo grupo de pesquisa inteiro na Penn que detalha como as características físicas do mundo esculpiram o cérebro. Também na neurociência ele descobriu que as ideias de informação e computação fornecem uma linguagem natural.
A Quanta Magazine recentemente se conectou com Balasubramanian pelo Zoom para uma conversa sobre o papel da informação na física e na neurociência e sobre os limites da cognição humana. A entrevista foi condensada e editada para maior clareza.
Você passou sua carreira trabalhando em alguns dos problemas mais intratáveis da física. O progresso está realmente sendo feito?
Os desenvolvimentos nos últimos 20 anos foram enormes. Um avanço importante foi a compreensão de que um universo que se curva como uma sela – o espaço AdS – onde a gravidade opera de maneira familiar, mas pouco compreendida, pode ser visto como equivalente a um mundo de dimensão inferior livre da gravidade incômoda. Esta é a famosa dualidade AdS/CFT. Este conceito abre a possibilidade de que o espaço não seja fundamental. Em vez disso, pode ser emergente. Muito do meu trabalho tem se preocupado com isso: desenvolver uma teoria que não contenha espaço.
Muito recentemente, houve um progresso maravilhoso em pensar se você pode ver atrás do horizonte de um buraco negro medindo partículas que irradiam, que podem conter mensagens embaralhadas sobre o que caiu anteriormente.
Como os buracos negros e AdS/CFT levam você à noção de que a informação pode ser a base para o espaço?
A mecânica quântica tem uma propriedade chamada unitaridade que garante que em um nível microscópico, a informação não pode ser destruída. Mas Stephen Hawking calculou que a informação é destruída quando um buraco negro evapora – criando um paradoxo. Você tem uma tensão entre a gravidade e a mecânica quântica decorrente da destruição da informação.
Também sabemos que a entropia de um buraco negro, que é uma medida de ignorância ou falta de informação, é igual à área de superfície do buraco negro. Há claramente algo acontecendo ligando área, entropia e informação. Você pode sentir, mas não sabe o que é, então as pessoas estão procurando o que dizer sobre isso.
Uma coisa que observamos é como a estrutura do espaço no volume de um universo AdS se manifesta na fronteira. Por exemplo, o que significa para você poder mover um objeto do ponto A para o ponto B dentro do universo quando o espaço não é fundamental? Existe agora um argumento de que se duas regiões no volume do espaço estão conectadas, então no limite do “mundo plano”, as variáveis correspondentes são emaranhadas quanticamente. Isso significa que eles contêm informações uns sobre os outros; medir um diz algo sobre o outro. É uma ideia muito bonita e uma realização específica da noção de Wheeler de bits: se esses bits de informação quântica não estivessem conectados por meio de emaranhamento, não haveria espaço.
Você está dizendo que nosso universo 3D pode realmente ser uma ilusão de ótica gerada por 1s e 0s emaranhados em alguma terra plana?
É completamente justo pensar nisso literalmente. Mas o debate continua sobre até onde você pode levar essa ideia.
O que é uma interpretação menos literal?
É difícil dizer nesta fase. Parte da dificuldade é que você precisa de algum vocabulário para o que você quer dizer com o espaço emergir. Do nosso ponto de vista, o espaço parece agradável e suave, certo? Podemos dizer que A e B estão conectados no espaço se pudermos traçar uma linha suave entre eles. Mas agora suponha que eu pegue um microscópio e observe uma pequena região. De perto, você tem todos os motivos para esperar que o próprio espaço, como tudo na mecânica quântica, esteja flutuando como um louco, saltando e se despedaçando. Nesse caso, o que significa dizer que A está ao lado de B?
Devemos estar dispostos a abrir nossas mentes para ideias mais sutis de espaço, o que é difícil porque nossa imaginação está intimamente ligada à nossa experiência diária como grandes animais. Mas se alguém me dissesse 20 anos atrás que eu poderia falar sobre isso, eu teria dito que não havia chance. Talvez em mais 20 anos tenhamos uma resposta para sua pergunta.
Ainda não podemos sondar a gravidade quântica em experimentos. Como você pode saber quando suas ideias bizarras estão funcionando quando você não está limitado por experimentos?
Essa e a coisa; a consistência matemática das leis da natureza é uma restrição drástica. Eu não acho que as pessoas apreciam quantas coisas você não pode fazer se concordar com um conjunto de regras.
Às vezes, o progresso na física teórica ocorre quando você remove uma suposição. Se você deriva um monte de teorias consistentes com as regras, e as teorias não descrevem os fenômenos que você acha que deveriam, é perfeitamente justo que você questione as regras.
Por exemplo, no ano passado, alguns colegas e eu estudamos o que aconteceria se você emaranhasse dois universos gravitacionais. Suponha que os dois universos não estejam conectados; são desconexos. A imagem do espaço de Einstein exige que universos disjuntos sejam completamente separados, com zero caminhos de A a B. Mas modificamos essa suposição. Dissemos, vamos permitir que as flutuações selvagens da gravidade quântica estabeleçam conexões fugazes. Isso poderia fazer sentido!
Descobrimos que esse ajuste faz um cálculo funcionar. Um aparente paradoxo de informação pode ser evitado se você concordar que as regras para computação em gravidade quântica permitem que universos desconectados se tornem momentaneamente ligados.
O que mais você pode fazer com uma abordagem de informação em física?
Certa vez escrevi um artigo chamado “A Biblioteca de Babel: Sobre a Origem da Termodinâmica Gravitacional“. O nome foi inspirado em um conto de Jorge Luis Borges sobre uma misteriosa biblioteca cheia de livros que parecem bobagens. Eventualmente, um bibliotecário percebe que essa biblioteca contém todas as possíveis sequências de letras. Quase todas as sequências são basicamente aleatórias, mas de vez em quando você tem a verdadeira história da vida de alguém.
Argumentamos que a coleção de maneiras pelas quais os buracos negros podem organizar as informações que contêm é como esta biblioteca. Como os livros, os “microestados” do buraco negro consistem em combinações quase aleatórias de suas peças microscópicas. As informações são preservadas, mas é quase impossível recuperá-las.
Outra vez investigamos bolhas de nada. Em certos universos com muitas dimensões, quando você esmaga as dimensões extras, esses universos podem desenvolver uma instabilidade onde eles fazem uma bolha sem espaço dentro.
Eu estava muito interessado neste nada. Na linguagem do AdS/CFT, uma bolha de nada no volume emergente do espaço ocorre quando os graus fundamentais de liberdade no mundo plano não estão mais emaranhados. Mas esses [qubits] ainda estão lá no mundo plano; não é nada. É uma coisa. A coisa não está emaranhada da maneira certa para criar um espaço, mas ainda há informação no estado nada.
Qual foi o seu primeiro encontro com o raciocínio científico?
Quando eu estava na segunda série, morávamos em Calcutá, na Índia, e íamos comprar legumes no fim de semana. Passávamos por esses livreiros com barracas embutidas nas paredes dos prédios. Eu valorizava os livros que eu conseguia colocar em minhas mãos. Meu pai fez uma pequena estante com caixotes de lojas locais, e eu enfileirava meu punhado de livros e os contava. Minha ambição na vida era um dia ter 100 livros.
Um dia eu peguei um livro chamado The How and Why Wonder Book of Famous Scientists. Em particular, lembro-me de Antonie van Leeuwenhoek. Ele não tinha diploma. Ele não trabalhava em um lugar chique. Ele era um moedor de lentes. Mas ele era um cara inteligente e curioso, então usou suas lentes para montar o primeiro microscópio e descobriu todo o mundo da vida microscópica. Lembro-me de ler isso e perceber que a ciência era uma coisa que você poderia fazer. Não foi recebido sabedoria de eras passadas. A partir de então, eu sabia o que ia fazer na vida.
Você estudou física e ciência da computação no Massachusetts Institute of Technology. Por que este último?
Comecei a sentir que as leis da natureza, conforme as escrevemos, são fundamentalmente restringidas pelos pensamentos que podemos pensar. Um gato não pode entender cálculo, e não é óbvio que os humanos também possam entender tudo. Estudei ciência da computação porque queria entender os limites do computador na minha cabeça.
Como começou sua vida alternativa como neurocientista?
Como estudante de pós-doutorado em Harvard, fiz minha pesquisa principal em teoria das cordas, mas também trabalhei em laboratórios de biologia. Eu passava as noites no laboratório do meu amigo olhando seus dados e lendo artigos. Eu tinha escapado de todos os meus cursos de biologia do ensino médio, então eu tinha muito a aprender.
Então eu vim para Penn e conheci Peter Sterling, um neurocientista. Ele me fazia perguntas como: “Por que esse circuito se parece com isso?” ou “Por que esse neurônio se parece com isso?” Estas são perguntas excelentes porque a forma segue a função na biologia.
Quais são algumas das forças que você identificou que esculpiram a forma do cérebro?
A informação neural é muito cara. Custa muito poder, então, se você pensar sobre a teoria das formas eficientes de codificação de informações, talvez isso deva falar sobre a estrutura do cérebro.
Por exemplo, existem diferentes caminhos no cérebro para processar manchas claras e manchas escuras, e o cérebro dedica mais recursos às manchas escuras. Por que faria isso? Mostramos que, se você observar a estrutura estatística das imagens naturais, há mais pontos escuros do que pontos claros. Desenvolvemos uma teoria quantitativa prevendo quantos detectores de luz e detectores de escuridão você deveria ter para maximizar sua informação visual se fosse configurar um sistema artificial com um orçamento fixo. E você praticamente acaba acertando com o que vê nos animais.
Você já respondeu sua pergunta sobre as restrições do computador em sua cabeça?
Minha pesquisa em neurociência me deu insights sobre por que o computador é organizado do jeito que é, mas acho que não aprendi muito sobre as limitações dos processos em minha mente que me permitem fazer física. Ainda tenho esperança de chegar lá. Acho que esses processos de nível superior estão redirecionando coisas mais elementares que precisamos fazer para sobreviver. É muito mais importante comer do que fazer física.
Então você se sente como o gato tentando aprender cálculo? A entropia de universos disjuntos está empurrando nossos limites cognitivos?
Você pensaria isso, mas continuamos encontrando mais! Há um mistério genuíno sobre isso. Estamos apenas usando teorias matemáticas simples, mas estamos falando sobre se o espaço-tempo é formado de forma emergente por emaranhamento. Está tão distante de nossa experiência diária que é absurdo que possamos extrapolar até agora.
Há um problema aqui para ser entendido. O poder das teorias simples é um presente que não merecemos, basicamente.
Como está sua coleção de livros? Você construiu sua Biblioteca de Babel?
Depois que minha esposa e eu tivemos nosso segundo filho, queríamos nos mudar para os subúrbios da Filadélfia. Uma tarde nós dirigimos até aqui e vimos quatro casas, e no momento em que entrei nesta casa e vi esta sala cheia de prateleiras, eu sabia que seria a nossa casa.
Agora está cheio de centenas de livros. Minha esposa é historiadora aqui na Penn, então ela acumula livros também. E eu ainda tenho todos os meus livros de histórias de quando eu era criança – com orelhas de cachorro, com impressões digitais e marcas de comida e tudo mais.
Publicado em 24/04/2022 07h12
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