Revolucionário: Laboratório de física quântica vai tentar criar o "espaço-tempo" a partir do zero

Monika Schleier-Smith é doutorada em Física, licenciada pela Universidade de Harvard, com um doutoramento no Instituto de Tecnologia de Massachusetts e pós-doutoramento na LMU de Munique e no Instituto Max Planck de Óptica Quântica. É professora na Universidade de Stanford, na Califórnia, e está atualmente a trabalhar em algo espantoso.

Esta cientistas está a testar a ideia de que o espaço-tempo emerge, como um holograma, das interações quânticas, tentando fazê-lo em laboratório. Sim, não vamos negar que isto parece muito estranho e algo complicado, mas vamos explicar-lhe, porque se o trabalho dela for bem sucedido, irá revolucionar completamente a nossa compreensão do Universo.

A experiência quântica

O espaço-tempo é um modelo matemático que combina o espaço e o tempo num único objeto contínuo de quatro dimensões, onde ocorrem todos os acontecimentos físicos no universo, de acordo com a teoria da relatividade de Einstein.

O seu primeiro postulado sustenta que as leis da física são idênticas para todos os observadores em sistemas de referência inerciais e, no segundo afirma que a velocidade da luz no vácuo é uma constante. Como consequência direta, o espaço e o tempo não podem ser independentes.

A teoria da relatividade de Einstein reforçou a ideia de que o espaço e o tempo eram fundamentais, mas Smith está convencida de que o espaço-tempo não é uma entidade fundamental, mas surge dos átomos quânticos do espaço.

"Estes átomos são entidades matemáticas que existem a um nível mais profundo da realidade, onde o espaço e o tempo não existem. Além disso, podem combinar-se para formar moléculas, que, por sua vez, podem formar redes complexas", diz Smith.

Princípio holográfico

O espaço-tempo pode não ser fundamental. Em vez disso, de acordo com o princípio holográfico, emerge de algo mais profundo, tal como um holograma 3D emerge de uma superfície plana. O princípio diz que o espaço-tempo, e por extensão a gravidade, emerge do emaranhamento quântico, explica Smith à NewScientist. O emaranhamento quântico é um fenómeno que permite que duas partículas partilhem informação, mesmo que estejam separadas.

Com isto em mente, a Dra. Smith está a tentar criar o espaço-tempo a partir do zero. A sua abordagem simula uma fronteira holográfica 2D em torno de um universo, que, de acordo com o princípio holográfico, é suficiente para codificar toda a informação que descreve o universo interior. Esta "dualidade holográfica" diz que o espaço-tempo e a fronteira de dimensão inferior da qual emerge são equivalentes.

Essencialmente, a metodologia de Schleier-Smith envolve experiências que têm o potencial de revelar como o princípio holográfico contribui para os fenómenos, até mesmo aqueles em escalas mais pequenas, onde o espaço-tempo emergiria.

A física de renome explica que as suas principais ferramentas de trabalho são átomos arrefecidos por laser. "Temos átomos isolados numa câmara de vácuo e utilizamos lasers para os levar a temperaturas muito baixas. Fixamo-los onde queremos e isso é essencialmente um ponto de partida para termos um modelo de sistema quântico muito bem controlado", explica na entrevista à NewScientist.

Uma fábrica de espaço-tempo

Se o projeto da Dra. Smith for bem sucedido, permitirá que o espaço-tempo seja criado e controlado à escala laboratorial. Poderá também resolver paradoxos da física quântica e da relatividade geral.

O princípio holográfico é especialmente intrigante no contexto da gravidade quântica. A teoria das cordas, que procura unificar a relatividade geral e a mecânica quântica, sugeriu que o espaço e o tempo são emergentes de processos quânticos subjacentes. As experiências de Schleier-Smith representam um passo importante para compreender como isto pode funcionar na prática.

O trabalho de Monika Schleier-Smith tem também implicações significativas no domínio da informação quântica e da computação quântica. Os condensados de Bose-Einstein podem servir como recursos valiosos para a implementação de algoritmos quânticos e a manipulação de informação quântica. Ao compreendermos melhor o comportamento das ondas quânticas nestas estruturas holográficas, podemos melhorar a capacidade de processar e transmitir informação em sistemas quânticos.

Para efeitos práticos, teriam várias vantagens; por exemplo, forneceriam os relógios mais precisos até agora. Smith já tem feito progressos nesse domínio - em 2010, ela e a sua equipa melhoraram a precisão de um relógio atómico para além do limite quântico padrão.

No entanto, o método também tem os seus desafios. Um deles é a forma de ligar as simulações à realidade física, uma vez que os fotões são uma mera aproximação dos átomos quânticos existentes no espaço.