Uma Meta-Lei para reger todas as outras: físicos elaboram uma “Teoria de Tudo”

Post inicialmente criado por Zeeya Merali, no site Scientific American.

Shannonmouse

Shannon e seu famoso Teseu, um rato eletromecânico que tentou se resolver o labirinto em uma das primeiras experiências de inteligência artificial. Copiado de wikipedia.

 

“Uma vez eliminado o impossível”, famosamente opinou o detetive fictício Sherlock Holmes, “o que resta, por mais improvável que seja, deve ser a verdade”. Esse ditado forma o princípio fundamental da “Teoria do Construtor” — uma “Teoria de Tudo” candidata, esboçada primeiramente em 2012, na Universidade de Oxford, pelo físico quântico David Deutsch. Seu objetivo era encontrar uma estrutura que pudesse abranger todas as teorias físicas, determinando um conjunto abrangente de “meta-leis” que descrevesse o que pode acontecer no universo e o que é proibido. Em um artigo publicado em 23 de maio para o repositório artigos de física, arXiv, a “Teoria do Construtor” aponta para o seu primeiro sucesso em direção a esse objetivo, unificando duas teorias distintas usadas atualmente para descrever o processamento de informação em sistemas macroscópicos clássicos, assim como em objetos quânticos subatômicos.

Os cientistas da computação atualmente usam uma teoria desenvolvida em 1940 pelo matemático americano e criptógrafo Claude Shannon. Ela descreve como a informação clássica pode ser codificada e transmitida através de canais ruidosos de forma eficiente — o que, por exemplo, é a maioria dos dados que podem ser transmitidos, em teoria, por um cabo de fibra óptica, sem se tornar irremediavelmente corrompida. Ao mesmo tempo, os físicos estão se esforçando para construir computadores quânticos que possam, em princípio, explorar aspectos peculiares do mundo subatômico para executar determinadas tarefas em um ritmo muito mais rápido do que as máquinas clássicas de hoje.

Mas os princípios definidos pela teoria de Shannon não podem ser aplicados ao processamento de informação por computadores quânticos. Na verdade, Deutsch observa que os físicos ainda nem possuem uma definição clara sobre o que é “informação quântica” ou como ela se relaciona com a informação clássica. “Se quisermos progredir na busca de novos algoritmos para computadores quânticos, precisamos entender o que informação quântica realmente é!”, diz. “Até agora, os algoritmos que foram descobertos por computadores quânticos foram surpresas descobertas aos tropeços, pois não temos uma teoria mais fundamental para nos guiar.”

Em 2012, Deutsch esboçou uma teoria construtor, no qual, ele acredita que pode proporcionar a base fundamental para uma grande unificação de todas as teorias em ambos os domínios, clássico e quântico. Este último artigo é um primeiro passo em direção a esse objetivo maior, uma demonstração de como a informação clássica e quântica podem ser usadas para unificar duas teorias físicas. De acordo com a teoria do construtor, os componentes mais fundamentais da realidade são entidades (“construtores”) que realizam tarefas específicas, acompanhadas de um conjunto de leis que definem quais as tarefas são realmente possíveis de um construtor realizar. Por exemplo, uma chaleira com uma fonte de alimentação pode servir como um construtor que pode desempenhar a função de aquecimento de água. “A linguagem da teoria construtor dá um caminho natural para descrever os princípios fundamentais que devem ser obedecidos por todas as teorias subsidiárias, como a conservação de energia”, explica Chiara Marletto, uma física quântica também da Universidade de Oxford, co-autora do novo estudo. “Você simplesmente diz que a tarefa de criar energia a partir do nada é impossível.”

Dean Rickles, um filósofo de física na Universidade de Sydney, que não estava envolvido no desenvolvimento da teoria, está intrigado com o seu potencial de unificar as leis da natureza. “É uma nova visão muito curiosa sobre a noção de uma teoria de tudo”, diz ele. “Em princípio, todo o possível em nosso universo poderia ser escrito em um grande livro que consiste em nada além de tarefas [e] neste grande livro também serão codificadas todas as leis da física.”

Para desenvolver sua descrição de informação, Deutsch e Marletto se basearam em uma tarefa fundamental que é possível em sistemas clássicos, mas impossível em sistemas quânticos: a capacidade de fazer uma cópia. Desde a década de 1980 os físicos sabem que é impossível fazer uma cópia idêntica de um estado quântico desconhecido. Em seu novo artigo, Deutsch e Marletto definem um meio de informação clássica como aquele em que os estados podem ser precisamente copiados. Eles, então, descobriram quais tarefas devem ser possíveis em um sistema desse tipo para permanecer em conformidade com a teoria de Shannon.

Os colaboradores, em seguida, passaram a definir o conceito de um meio de “superinformação” que codifica mensagens que especificam determinados estados físicos – neste caso, em que a cópia é impossível. Eles descobriram que um subconjunto particular de seus meios de superinformação exibe as propriedades associadas com o processamento da informação quântica. “Descobrimos que, com esta única restrição em vigor, dizendo o que você não pode fazer em um meio de superinformação — a tarefa de cópia —, você acaba descobrindo o novo poder estranho de processamento de informação que é uma propriedade de sistemas quânticos”, diz Marletto.

A equipe mostrou que, com esta restrição de copiar em vigor, uma série de outras propriedades começam a surgir: Medir o estado de um meio superinformação inevitavelmente perturbá-la — uma característica comumente associada a sistemas quânticos. Mas como é impossível fazer uma cópia exata de certos conjuntos de estados em um meio superinformação, isso força alguma incerteza no resultado da medição.

A equipe também mostrou que o emaranhamento – a assustadora propriedade que liga objetos quânticos de forma que eles atuam em conjunto, não importa o quão longe eles estejam – também surge naturalmente, uma vez que essa restrição em copiar está em vigor. De acordo com Marletto, a propriedade crucial de um sistema que contém dois estados emaranhados é que a informação armazenada no sistema combinado é mais do que a informação que pode ser adquirida apenas através da análise de cada membro do par individualmente. O conjunto quântico é mais do que a soma das suas partes.

No seu artigo, Deutsch e Marletto demonstram que a informação pode ser codificada em dois meios de superinformação de tal maneira que é impossível recuperá-la através da medição dos subsistemas individuais separadamente – isto é, o emaranhamento é inevitável. Da mesma forma, num meio clássico, o emaranhamento é impossível. “A coisa mais interessante sobre este formalismo é a forma que características comuns da mecânica quântica se desdobram”, diz Patrick Hayden, um físico quântico na Universidade de Stanford, acrescentando: “. Tenho verdadeiro respeito pelo pensamento criativo por trás da teoria do construtor e suas ambições” Ele observa, porém, que há tentativas concorrentes de outros pesquisadores para o desenvolvimento de uma compreensão mais profunda da mecânica quântica, incluindo idéias baseadas em cópia, e ainda é muito cedo para dizer qual delas, se houver, será a melhor descrição.

Rickles concorda que isso vai levar tempo para os físicos verificar que a teoria – que ainda não passou por revisão por pares – é verdadeiramente bem-sucedida em unir a teoria da informação clássica e quântica. Mas afirma-se, que daria um impulso ao objetivo de Deutsch em contribuir na busca pela tão procurada teoria da gravidade quântica, unindo a teoria quântica e relatividade geral, atualmente incompatíveis. “Esta é a primeira vez na história da ciência que se sabe que as nossas teorias mais profundas estão erradas, por isso é óbvio que precisamos de uma teoria mais profunda”, diz Deutsch.

Rickles acredita que a teoria do construtor tem o potencial de prescrever meta-leis que a relatividade geral e a teoria quântica devem obedecer. “As meta-leis são criaturas mais estáveis, eles sobrevivem a revoluções científicas”, diz ele. “Ter esses princípios em mão no dá uma melhor compreensão da natureza da realidade. Eu diria que é uma boa vantagem.”

Fonte: http://www.scientificamerican.com/article/a-meta-law-to-rule-them-all-physicists-devise-a-theory-of-everything/

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