From Quantum Cryptography to Intuitionism and beyond: relativity, many-worlds and non-locality

A ciência há muito tempo luta com a natureza da realidade, particularmente com o comportamento estranho das menores partículas do universo. Por décadas, físicos têm debatido se o mundo é fundamentalmente determinado, como uma máquina de relógio onde cada evento futuro é fixado pelo passado, ou se é verdadeiramente aberto, com novas possibilidades emergindo à medida que o tempo avança. Esta questão toca no próprio tecido de como entendemos o tempo, o espaço e a informação. Se o futuro já está escrito, então o universo é um bloco estático onde nada de novo acontece. Se, no entanto, o futuro não está escrito, então o universo é um lugar onde coisas novas são genuinamente criadas momento a momento. Esta distinção não é apenas filosófica; ela muda como interpretamos as leis da física, especialmente ao lidar com as estranhas correlações entre partículas que parecem influenciar-se mutuamente instantaneamente através de vastas distâncias.

Num artigo escrito para o septuagésimo aniversário de seu colega e amigo Gilles Brassard, o físico Nicolas Gisin explora estas questões profundas ao propor uma nova maneira de pensar sobre como a informação é criada no universo. Gisin sugere que a natureza pode ter um limite sobre o quão rápido ela consegue gerar nova informação. Ele argumenta que, embora o universo possa criar novos fatos, ele não pode fazê-lo de forma infinitamente rápida. Esta ideia, que ele desenvolve junto com uma abordagem matemática chamada intuicionismo, oferece uma perspectiva fresca sobre por que o mundo não se torna uma bagunça caótica de possibilidades infinitas e como as estranhas regras da mecânica quântica podem se ajustar com a teoria da relatividade de Einstein.

O artigo começa desafiando a visão padrão de que os números que usamos para descrever o mundo são completos e fixos. Na matemática tradicional, assume-se que um número, como a temperatura de uma sala, possui um valor preciso em cada momento, mesmo que não o conheçamos. Gisin, baseando-se em um ramo da matemática onde os números são construídos ao longo do tempo, sugere que, para muitas grandezas físicas, o valor preciso não existe até que o tempo passe e o valor seja determinado. Nesta visão, o futuro não é um roteiro oculto esperando para ser lido; ele é genuinamente aberto. Uma temperatura daqui a dez anos, por exemplo, não tem um valor agora. Não é meramente desconhecido para nós; é ontologicamente indeterminado, o que significa que a própria natureza ainda não decidiu o que será. À medida que o tempo flui, novos bits de informação são criados, e o universo faz escolhas que não foram predeterminadas.

Este conceito de um futuro aberto leva a uma proposta específica sobre os limites da natureza. Gisin imagina um cenário onde um sistema, como um gás de moléculas, evolui de uma forma que é altamente sensível às suas condições iniciais. Numa visão determinística padrão, o sistema segue um caminho único e preciso. Mas se as condições iniciais não forem infinitamente precisas — se contiverem apenas uma quantidade finita de informação — então o caminho do sistema eventualmente se dividirá. As diferentes possibilidades se espalharão, e a natureza eventualmente terá que escolher qual caminho tomar. Gisser sugere que a natureza só pode criar nova informação a uma taxa limitada. Se um sistema tenta evoluir para um estado que requer uma quantidade enorme de nova informação para descrevê-lo tudo de uma vez, a natureza pode não conseguir acompanhar.

Para ilustrar isso, Gisin observa um sistema de vinte minúsculas partículas magnéticas, conhecidas como spins. Se estas partículas forem arranjadas de uma forma classicamente caótica, sua versão quântica torna-se altamente emaranhada muito rapidamente. O emaranhamento é um estado onde as partículas estão ligadas tão profundamente que devem ser descritas como um único grupo, em vez de indivíduos. Para descrever este grupo, a natureza precisaria gerar uma quantidade massiva de nova informação em uma fração minúscula de segundo. Gisin propõe que, se a natureza for limitada em quão rápido pode produzir esta informação, ela pode ser forçada a dividir o sistema em partes menores e mais manejáveis. Em vez de criar um estado emaranhado único e massivo para todos os vinte spins, a natureza poderia criar dois grupos menores de dez. Esta limitação poderia impedir que o universo evolua para um bloco único e infinitamente complexo de matéria emaranhada. Se esta ideia se sustentar, significaria que a interpretação de "muitos mundos" da mecânica quântica, que sugere que cada possibilidade acontece em um ramo separado da realidade, está incorreta porque a natureza não consegue gerar a informação necessária para sustentar todos esses ramos simultaneamente.

O artigo então se volta para a relação entre este futuro aberto e a teoria da relatividade. Um grande enigma da física tem sido como reconciliar a ideia de eventos aleatórios e imprevisíveis com a regra de Einstein de que nada pode viajar mais rápido que a luz. Alguns físicos argumentaram que, se o futuro é verdadeiramente aleatório, ele deve violar a relatividade. Gisin discorda. Ele propõe que os fatos não são absolutos; eles são relativos à sua localização no espaço e no tempo. Quando um evento aleatório ocorre, como a medição de uma partícula, o resultado torna-se um fato apenas dentro de uma região específica do espaço-tempo chamada cone de luz futuro. Fora desta região, o evento ainda não aconteceu, e o resultado não existe.

Isso significa que dois eventos ocorrendo em lugares diferentes podem estar correlacionados sem que um cause o outro instantaneamente. Imagine dois geradores de números aleatórios colocados longe um do outro. Se eles produzirem números correspondentes, não é porque um enviou um sinal para o outro. Em vez disso, a correlação é um evento não-local único que se manifesta em ambos os locais. O fato de eles coincidirem é verdadeiro apenas onde os dois cones de luz futuros se sobrepõem. Antes de se sobreporem, os resultados são indeterminados. Esta visão, que Gisin chama de "relatividade da indeterminação", permite as estranhas conexões vistas em experimentos quânticos sem exigir qualquer "ação fantasmagórica à distância". Sugere que o universo não é uma coleção de objetos separados influenciando-se mutuamente, mas um processo único onde nova informação é criada localmente e se espalha à velocidade da luz.

Gisin reconhece que esta é uma ideia ousada e que ele não possui uma solução completa para o problema da medição, que é a questão de exatamente quando e como estas quantidades indeterminadas se tornam definidas. Ele sugere que a natureza pode ter um mecanismo para decidir quando fazer uma escolha, talvez quando a quantidade de informação necessária para descrever um sistema excede o que pode ser criado em um determinado tempo. Isto não é um fato comprovado, mas uma hipótese que pode levar a novas previsões e tecnologias. Se a natureza é, de fato, limitada em sua capacidade de criar informação, isso pode ter implicações sérias para os computadores quânticos, que dependem da criação de quantidades massivas de emaranhamento. Se o universo não consegue gerar esse emaranhamento rápido o suficiente, os computadores quânticos podem enfrentar limites fundamentais mais severos do que o atualmente pensado.

O artigo conclui enfatizando que esta nova perspectiva não requer observadores ou agentes conscientes para tornar o universo real. A criação de nova informação é um processo físico que acontece independentemente de alguém estar observando. Gisin escreve isto em honra ao seu amigo Gilles Brassard, um pioneiro na criptografia quântica, para celebrar uma vida inteira explorando as fronteiras da informação e da realidade. Ao combinar a ideia matemática de que os números são construídos ao longo do tempo com a ideia física de que a criação de informação é limitada, Gisin oferece uma visão de um universo que é dinâmico, aberto e fundamentalmente criativo. É um mundo onde o futuro não é um destino fixo, mas uma paisagem que está sendo desenhada, um novo fato de cada vez.