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ER = EPR resume novas pistas para compreender o entrelaçamento e espaço-tempo




Os buracos de minhoca, túneis através do tecido do espaço-tempo que conectam locais muito distantes, são previstos pela teoria da relatividade geral de Einstein. Alguns físicos pensam que os buracos de minhoca poderiam ligar buracos negros no espaço, possivelmente fornecendo uma pista para os mistérios do entrelaçamento quântico e como fundir a relatividade geral com a mecânica quântica. Créditos; STOCKERNUMBER2/SHUTTERSTOCK



Há uma nova equação flutuando ao redor do mundo da física nos dias de hoje que deixaria Einstein orgulhoso.

É muito fácil de lembrar: ER = EPR.

Você pode suspeitar que, para esta equação funcionar, P deve ser igual a 1. Mas os símbolos desta equação não são números, mas nomes. E, como você já deve ter adivinhado, "E" significa Einstein. R e P são as iniciais - para os colaboradores em dois dos artigos mais intrigantes de Einstein. Combinadas nesta equação, essas letras expressam um possível caminho para reconciliar a relatividade geral de Einstein com a mecânica quântica.

A mecânica quântica e a relatividade geral são teorias espetacularmente bem-sucedidas. Ambas preveem fenômenos bizarros que desafiam concepções tradicionais de realidade. No entanto, quando postas à prova, a natureza sempre está em conformidade com os requisitos de cada teoria. Uma vez que ambas as teorias descrevem a natureza tão bem, é difícil explicar por que elas já resistiram a todos os esforços para fundi-las matematicamente. De alguma forma, e todos acreditam nisso, elas devem se encaixam no final. Mas a natureza até agora tem mantido a fórmula dessa conexão em segredo.

ER = EPR, no entanto, sugere que a chave para a sua ligação pode ser encontrada nos túneis de espaço-tempo conhecidos como buracos negros. Estes túneis, implícitos pela teoria da relatividade geral de Einstein, seriam como atalhos subespaciais que ligam fisicamente locais distantes. Parece que esses túneis podem ser o alter ego da ligação misteriosa entre partículas subatômicas conhecidas como entrelaçamento quântico.

Durante os últimos 90 anos ou mais, os físicos têm prosseguido duas questões principais da mecânica quântica separadamente: um, como interpretar a matemática quântica para dar sentido a sua estranheza (como o emaranhamento), e dois, como casar a mecânica quântica com a  gravidade. Acontece que, se ER = EPR estiver certo, ambas as perguntas terão a mesma resposta: esquisitice quântica só pode ser compreendido se você entender a sua ligação à gravidade. Buracos de minhoca pode forjar essa ligação.

Wormholes ou Buracos de Minhoca são tecnicamente conhecidos como pontes Einstein-Rosen (a parte "ER" da equação). Nathan Rosen colaborou com Einstein em um artigo descrevendo-os  em 1935. EPR é referido em um outro artigo que Einstein publicou junto com Rosen em 1935, juntamente com Boris Podolsky. Este último articulou os enigmas paradoxais do entrelaçamento quântico sobre a natureza da realidade. Durante décadas ninguém considerou seriamente a possibilidade de que os dois documentos tivessem algo a ver um com o outro. Mas em 2013, os físicos Juan Maldacena e Leonard Susskind propuseram que, em certo sentido, buracos de minhoca e emaranhamento descrever a mesma coisa.

Em um artigo recente, Susskind expôs algumas das implicações desta realização. Entre elas: a compreensão de que o emaranhamento de um buraco de minhoca pode ser a chave para a fusão mecânica quântica e da relatividade geral, que os detalhes da fusão explicaria o mistério do emaranhamento, que o espaço-tempo em si poderia emergir do entrelaçamento quântico, e que as controvérsias sobre como interpretar mecânica quântica poderia ser resolvido no processo.


"ER = EPR nos diz que a rede imensamente complicada de subsistemas emaranhados que compreendem o universo também é uma rede extremamente complicada (e tecnicamente complexa) de pontes de Einstein-Rosen," escreve Susskind. "Para mim, parece óbvio que se ER = EPR for verdade, isso será uma coisa gigantesca e deverá prejudicar as fundações e interpretações da mecânica quântica."

O entrelaçamento representa um dos maiores impedimentos para compreender a física quântica. Isso acontece, por exemplo, quando duas partículas são emitidas a partir de uma fonte comum. A descrição quântica de um tal par de partículas diz-lhe as chances de que uma medição de uma das partículas (digamos, seu spin) dar um resultado específico (por exemplo, anti-horário). Mas uma vez que um membro do par for medido, você imediatamente saberá o que o resultado será quando você faz a mesma medida, por outro, não importa o quão longe a partícula estiver. Einstein recusou-se a esta realização, insistindo que uma medição em um lugar não poderia afetar uma experiência distante (invocando a sua famosa condenação da "ação fantasmagórica à distância"). Mas muitas experiências reais  confirmaram o poder de emaranhamento para desafiar a preferência de Einstein. Mesmo que (como Einstein insistiu) nenhuma informação pode ser enviada instantaneamente de uma partícula para outra, uma delas, no entanto, parece "saber" o que aconteceu com o sua parceira emaranhada.

Normalmente, os físicos falam de emaranhamento entre duas partículas. Mas isso é apenas o exemplo mais simples. Susskind salienta que os campos quânticos - o material no qual as partículas são feitas - também pode ser emaranhado. "No vácuo de uma teoria quântica de campos os campos quânticos em regiões disjuntas de espaço estão entrelaçadas", escreve ele. Tem a ver com o bem conhecido (e bizarro) aparecimento de partículas "virtuais" que surgem constantemente dentro e fora da existência no vácuo. Estas partículas aparecem em pares, literalmente, do nada; sua origem comum garante que elas estão entrelaçadas. Em suas breves vidas , elas às vezes colidem com as partículas reais, que, em seguida, tornam-se emaranhadas.
Agora, suponha que Alice e Bob, universalmente reconhecidos como sendo os experimentadores quânticos mais capazes jamais imaginados, começam a recolher estas partículas reais entrelaçadas no vácuo. Alice leva um membro de cada par e Bob converte o outro. Eles voam para longe separadamente para reinos distantes do espaço e, em seguida, cada um deles esmaga suas partículas tão densamente que elas tornam-se um buraco negro. Por causa do entrelaçamento dessas partículas, Alice e Bob agora criaram dois buracos negros emaranhados. Se ER = EPR estiver correto, um buraco de minhoca irá ligar esses buracos negros; o emaranhamento, por conseguinte, pode ser descrito utilizando a geometria dos buracos negros. "Esta é uma afirmação notável cujo impacto ainda será apreciado", escreve Susskind.

Ainda mais notável, ele sugere, é a possibilidade de que duas partículas subatômicas emaranhadas estão, de alguma forma, ligadas por uma espécie de buraco de minhoca quântico. Estes buracos de minhoca são contorções da geometria do espaço-tempo - descritos por equações gravitacionais de Einstein - identifica-los com o entrelaçamento quântico seria forjar uma ligação entre a gravidade e a mecânica quântica.

Em qualquer caso, estes desenvolvimentos certamente enfatizam a importância de emaranhamento para compreender a realidade. Em particular, ER = EPR ilumina os debates controversos sobre como a mecânica quântica deve ser interpretada. A sabedoria padrão da quântica (a interpretação de Copenhage) enfatiza o papel de um observador, que ao fazer uma medição, "colapsa" múltiplas possibilidades quânticas em um resultado definitivo. Mas a interpretação concorrente de Everett (ou interpretação de "muitos mundos") diz que as múltiplas possibilidades ocorrem ao mesmo tempo e qualquer observador só pode experimentar apenas uma ramificação da cadeia consistente de vários eventos possíveis.

No ponto de vista de Everett, o colapso da nuvem de possibilidades (a função de onda) nunca acontece. Interações (isto é, medições) apenas causam uma interação para ocasionar o entrelaçamento. A realidade, então, "torna-se uma complicada rede de envolvimentos" Em princípio, todos os eventos entrelaçados poderia ser invertidos, de modo que nada nunca realmente colapsa - ou pelo menos seria enganoso dizer que o colapso é irreversível. Ainda assim, o modo de exibição padrão do colapso irreversível funciona muito bem na prática. Nunca é viável para desfazer a multiplicidade de interações complexas que ocorrem na vida real. Em outras palavras, Susskind diz, ER = EPR sugere que as duas visões da realidade quântica são "complementares".

Susskind passa a explorar em detalhe técnico como funciona o emaranhamento com múltiplos participantes e descreve as implicações para considerar o entrelaçamento para ser equivalente a um buraco de minhoca. Permanece válido, por exemplo, que buracos de minhocas não podem ser usado para enviar um sinal através do espaço mais rapidamente do que a luz. Alice e Bob não podem, por exemplo, enviar mensagens uns aos outros através do buraco de minhoca que ligam os seus buracos negros. Se eles realmente querem se comunicar, no entanto, eles poderiam saltar em seu buraco negro e se encontrarem no meio do buraco de minhoca. Essa reunião proporcionaria uma forte confirmação para o a ideia ER=EPR, embora Alice e Bob teriam problemas para obter o seu artigo publicado.

Nesse meio tempo, um grande número de artigos estão aparecendo sobre ER = EPR e outros trabalhos relacionados com a gravidade - a geometria do espaço-tempo - para o entrelaçamento quântico. Em um artigo recente, os físicos da Caltech ChunJun Cao, Sean M. Carroll e Spyridon Michalakis tentaram mostrar como o espaço-tempo pode ser "construído" a partir da vasta rede de entrelaçamento quântico no vácuo. "Neste trabalho, medidas foram tomadas para derivar a existência e as propriedades do próprio espaço a partir de uma descrição intrinsecamente quântica usando o  emaranhamento", escrevem eles. Eles mostram como as mudanças em "estados quânticos" - as descrições puramente quânticas da realidade - podem estar ligados à mudanças na geometria do espaço-tempo. "Nesse sentido", dizem eles, "a gravidade parece surgir da mecânica quântica de uma forma natural."

Cao, Carroll e Michalakis reconhecem que a sua abordagem permanece contendo pressupostos incompletos que precisam ser verificados mais tarde. "O que temos feito aqui é extremamente preliminar e conjectural," escreve Carroll em um post recente. "Não temos uma completa teoria de tudo, e até mesmo o que temos envolve uma grande quantidade de especulação e cálculos rigorosos não são suficientes."

No entanto, existe um consenso claro entre muitos físicos que um caminho para a mecânica quântica se unificar com a gravidade. Se ele estiver no caminho certo, observa Carroll, parece que não será difícil conseguir unir a gravidade com a mecânica quântica -  é algo automático. Susskind acredita que o caminho para a gravitação quântica - através do buraco de minhoca - demonstra que a unificação das duas teorias é mais profunda do que os cientistas suspeitam. A implicação de ER = EPR, diz ele, é que "a mecânica quântica e gravidade estão muito mais estreitamente relacionadas do que nós (ou pelo menos eu) nunca tinha imaginado."

Por Tom Siegfried em Science News 
Tradução e adaptação: Felipe Sérvulo

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Autor Felipe Sérvulo

Graduado em Física pela UEPB. Mestrando em Cosmologia, gravitação e física das partículas pela UFCG. Possui experiência na área de divulgação científica com ênfase em astronomia, astrofísica, astrobiologia, cosmologia, biologia evolutiva e história da ciência. Possui experiência na área de docência informática, física, química e matemática, com ênfase em desenvolvimento de websites e design gráfico e experiência na área de artes, com ênfase em pinturas e desenhos realistas. Fundador do Projeto Mistérios do Universo, colaborador, editor, tradutor e colaborador da Sociedade Científica e do Universo Racionalista. Membro da Associação Paraibana de Astronomia. Pai, nerd, geek, colecionador, aficionado pela arte, pela astronomia e pelo Universo. Curriculum Lattes: http://lattes.cnpq.br/8938378819014229
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