Paul Sutter é astrofísico da Ohio State University e cientista-chefe do COSI Science Center. Sutter também é diretor administrativo da Ask the Spaceman e da Space Radio e lidera as AstroTours em todo o mundo. O cientista apresentou um artigo interessante na revista Expert Voices.
No final da década de 1990, os físicos teóricos descobriram uma conexão notável entre dois conceitos aparentemente não relacionados em sua ciência. Essa conexão é quase incompreensivelmente técnica, mas pode ter implicações de longo alcance para nossa compreensão da gravidade e até mesmo do universo. Para ilustrar essa conexão, vamos começar com um buraco negro.
A influência de um buraco negro no fluxo de informações
Os pesquisadores descobriram que quando um bit de informação atinge um buraco negro, sua área de superfície aumenta em uma quantidade muito precisa: o quadrado do comprimento de Planck, igual a um incrivelmente pequeno 1,6 x 10-35 m.
Inicialmente, pode não parecer inteiramente interessante que um buraco negro se torne maior quando matéria ou energia entra nele, mas o mais surpreendente é que a área de superfície, e não o volume, cresce em proporção direta à informação confiável. Isso é completamente diferente da maioria dos outros objetos conhecidos no universo.
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Estamos vivendo em um espaço tridimensional?
Para a maioria dos objetos com os quais estamos familiarizados, existe uma única lei: se ele "consumir" um bit de informação, seu volume aumentará em um e sua área de superfície aumentará apenas uma fração. Mas com os buracos negros, a situação está mudando dramaticamente. É como se a informação não residisse dentro do buraco negro, mas aderisse à sua superfície.
Assim, um buraco negro é um objeto totalmente tridimensional em nosso universo tridimensional e pode ser totalmente representado por uma superfície bidimensional.
Como funcionam os hologramas?
Um holograma é um sistema que usa menos dimensões. Ele pode empacotar todas as informações do sistema original.
Por exemplo, vivemos em três dimensões espaciais. Quando você posa na frente da câmera, ela grava uma imagem bidimensional do seu rosto, mas não captura todas as informações. Quando você examina seu trabalho posteriormente e usa o filtro, não pode, por exemplo, ver a parte de trás de sua cabeça, não importa como você gira a imagem. Mas a gravação do holograma reterá todas essas informações. Embora esta seja uma visualização 2D, você ainda pode explorá-la de todos os ângulos 3D.
Buraco negro como um holograma
Descrever um buraco negro como um holograma poderia fornecer uma solução para o chamado paradoxo da informação do buraco negro, o mistério de onde a informação nasce quando a matéria é consumida por um buraco negro. Mas isso é assunto para outro artigo. O conceito de "buraco negro como um holograma" também é um bom exemplo a ter em mente ao tentar visualizar o universo inteiro.
Resolvendo problemas privados
A correspondência entre ramos da física aparentemente não relacionados mencionados no início deste artigo é outra aplicação de técnicas holográficas que vem do incrível modelo AdS-CFT.
AdS significa Anti-De Sitter. Este modelo representa uma solução particular para a teoria geral da relatividade de Einstein. Ele descreve um universo completamente vazio com curvatura espacial negativa.
É um universo bastante enfadonho: não contém matéria ou energia, e as linhas paralelas eventualmente divergem com base na posição da geometria subjacente. Embora esse processo possa não descrever o universo, pelo menos sugere que a vida na Terra teve um começo. Esse modelo um tanto relaxado do universo tem as propriedades matemáticas necessárias para tornar a teoria composta relevante.
Teoria de campo
O outro lado da correspondência é uma estrutura chamada teoria de campo conforme. A física teórica repele com suas teorias de campo. Essas são as alavancas usadas pelos cientistas para criar uma variedade de teorias quânticas usadas para descrever três das quatro forças da natureza.
Eletromagnetismo, força nuclear forte e força nuclear fraca podem ser descritos por meio da teoria de campo e, ao longo do último meio século, a humanidade frequentemente praticou seu uso.
Deve ser entendido por que essa conexão é tão importante. Digamos que você esteja tentando resolver um problema realmente difícil como a gravidade quântica usando a teoria das cordas, que é uma tentativa de explicar todas as forças e partículas fundamentais do universo em termos de minúsculas cordas vibrantes. Na verdade, este é um problema tão complexo que ninguém encontrou uma solução para ele, apesar de décadas de tentativas.
A correspondência AdS-CFT nos diz que técnicas holográficas podem ser usadas para livrar o mundo dessa dor de cabeça.
Em vez de tentar resolver o problema da gravidade quântica em nosso universo tridimensional, o AdS-CFT nos permite passar para um problema equivalente na borda do universo, que é representado por apenas duas dimensões e não contém gravidade.
Equações da teoria de campo
O cálculo matemático quase impossível da teoria das cordas está sendo substituído por um conjunto de equações da teoria de campo simplesmente insanamente difíceis. Isso permite que você encontre soluções para problemas sem qualquer gravidade, o que o impede de transferir a solução de volta para o universo tridimensional normal e fazer quaisquer previsões. Tudo parece uma ótima ideia e uma maneira de enganar a natureza, contornando os mecanismos gravitacionais. E essa pode ser uma maneira brilhante de "resolver" a gravidade quântica.
Contradições existentes
Mas no momento existem algumas contradições. Primeiro, não vivemos em um universo anti-de Sitter. Nosso Universo está cheio de matéria, radiação e energia escura e tem uma geometria quase totalmente plana.
Existe uma correspondência semelhante que funciona em nosso universo real? Pode ser que os teóricos estejam trabalhando duro para encontrar a "fronteira" tomada pela correspondência AdCa-CFT com o horizonte cosmológico - o limite do que podemos ver em nosso Universo observável.
Tudo seria compreensível, exceto o momento em que vivemos em um espaço-tempo dinâmico com um espaço em constante crescimento, e essa fronteira está em constante mudança. Esta posição não é bem explicada nas teorias modernas.
Na verdade, quando passamos do modelo descrito pelo astrofísico Sitter para um modelo de fronteira mais simples usando a teoria de campo conforme, os novos sistemas de equações são fundamentalmente solucionáveis.
Eles ainda existem, mas freqüentemente parecem fantásticos, desastrosos, assustadores e insolúveis.
Então, existe um holograma?
Mesmo que o link AdS-CFT se mostrasse útil para resolver o problema da gravidade quântica e os físicos pudessem encontrar uma maneira de navegar pelos problemas e tornar esse método relevante para o universo em que vivemos, isso não significa que realmente vivemos em um holograma.
É um erro pensar que o modelo AdS-CFT é uma forma conveniente de resolver os problemas gravitacionais do nosso universo com gravidade em três dimensões.
Tudo isso é uma ilusão, e realmente vivemos em um espaço bidimensional sem gravidade. Um artifício matemático tão conveniente quanto esse não muda nossas visões sobre a natureza fundamental da realidade.
Se os princípios holográficos são úteis para resolver problemas, isso não significa que vivemos em um holograma. E mesmo que vivêssemos realmente em um holograma, não seríamos capazes de dizer a diferença de qualquer maneira.
Maya Muzashvili
