Físicos estudam como os universos podem borbulhar e colidir
Blog de abstrações
De Charlie Wood
25 de janeiro de 2021
Se o nosso universo for uma bolha que inflou dentro de um multiverso maior, ele pode ter cicatrizes de colisões com bolhas próximas.
Phil Degginger / Science Source
O que está além de tudo que podemos ver? A pergunta pode parecer sem resposta. No entanto, alguns cosmologistas têm uma resposta: Nosso universo é uma bolha crescente. Fora dele, existem mais universos-bolha, todos imersos em um mar eternamente em expansão e energizado – o multiverso.
A ideia é polarizadora. Alguns físicos abraçam o multiverso para explicar por que nossa bolha parece tão especial (apenas algumas bolhas podem hospedar vida), enquanto outros rejeitam a teoria por não fazer previsões testáveis (uma vez que prevê todos os universos concebíveis). Mas alguns pesquisadores acreditam que ainda não foram inteligentes o suficiente para calcular as consequências precisas da teoria.
Agora, várias equipes estão desenvolvendo novas maneiras de inferir exatamente como as bolhas do multiverso e o que acontece quando esses universos da bolha colidem.
“É um longo tiro ”, disse Jonathan Braden , cosmologista da Universidade de Toronto que está envolvido no esforço, mas, segundo ele, é uma busca por evidências “de algo que você pensou que nunca poderia testar”.
O a hipótese do multiverso surgiu de esforços para compreender o nascimento de nosso próprio universo. Na estrutura em grande escala do universo, os teóricos veem sinais de um surto de crescimento explosivo durante a infância do cosmos. No início dos anos 1980, enquanto os físicos investigavam como o espaço poderia ter começado – e parado – inflado, um quadro perturbador emergiu. Os pesquisadores perceberam que, embora o espaço possa ter parado de inflar aqui (em nosso universo bolha) e ali (em outras bolhas), os efeitos quânticos devem continuar a inflar a maior parte do espaço, uma ideia conhecida como inflação eterna.
A diferença entre universos bolha e seus arredores vem até a energia do próprio espaço. Quando o espaço está o mais vazio possível e não pode perder mais energia, ele existe no que os físicos chamam de estado de vácuo “verdadeiro”. Pense em uma bola deitada no chão – ela não pode cair mais. Mas os sistemas também podem ter estados de vácuo “falsos”. Imagine uma bola em uma tigela sobre uma mesa. A bola pode rolar um pouco enquanto fica mais ou menos parada. Mas um solavanco grande o suficiente o deixará no chão – no verdadeiro vácuo.
No contexto cosmológico, o espaço pode ficar igualmente preso em um falso estado de vácuo. Uma partícula de falso vácuo ocasionalmente relaxa em verdadeiro vácuo (provavelmente por meio de um evento quântico aleatório), e esse verdadeiro vácuo se expande como uma bolha crescente, banqueteando-se com o excesso de energia do falso vácuo, em um processo chamado decaimento de falso vácuo. É esse processo que pode ter iniciado nosso cosmos com um estrondo. “Uma bolha de vácuo poderia ter sido o primeiro evento na história do nosso universo”, disse Hiranya Peiris , cosmologista da University College London. Mas os físicos lutam fortemente para prever como as bolhas de vácuo se comportam. O futuro de uma bolha depende de incontáveis detalhes minuciosos que se somam. As bolhas também mudam rapidamente – suas paredes se aproximam da velocidade da luz à medida que voam para fora – e apresentam aleatoriedade e ondulação da mecânica quântica. Diferentes suposições sobre esses processos fornecem previsões conflitantes, sem nenhuma maneira de dizer quais delas podem se parecer com a realidade. É como se “você pegasse um monte de coisas que são muito difíceis para os físicos lidar e misturasse todas e dissesse: ‘Vá em frente e descubra o que está acontecendo’”, disse Braden.
Uma vez que eles não podem cutucar bolhas de vácuo reais no multiverso, os físicos têm procurado análogos físicos e digitais delas. Um grupo recentemente persuadiu um comportamento semelhante a uma bolha de vácuo a partir de uma simulação simples. Os pesquisadores, incluindo John Preskill , um físico teórico proeminente do California Institute of Technology, começou com “o versão infantil desse problema que você possa imaginar ”, como coautor Ashley Milsted colocou: uma linha de cerca de 1.000 setas digitais que podem apontar para cima ou para baixo. O lugar onde uma série de setas principalmente para cima encontrou uma série de setas principalmente para baixo marcava uma parede de bolha e, ao lançar as setas, os pesquisadores podiam fazer as paredes de bolha se moverem e colidirem. Em certas circunstâncias, este modelo imita perfeitamente o comportamento de sistemas mais complicados na natureza. Os pesquisadores esperavam usá-lo para simular falsa decadência de vácuo e colisões de bolhas. No início, a configuração simples não funcionou de forma realista. Quando as paredes da bolha colidiram, elas se recuperaram perfeitamente, sem nenhuma das reverberações intrincadas ou vazamentos de partículas esperados (na forma de setas viradas ondulando ao longo da linha). Mas depois de adicionar alguns floreios matemáticos, a equipe viu paredes colidindo que expeliam partículas energéticas – com mais partículas aparecendo conforme as colisões se tornavam mais violentas.
Mas os resultados, que apareceram em um pré-impressão em dezembro , prenunciando um beco sem saída neste problema para a computação tradicional. Os pesquisadores descobriram que, à medida que as partículas resultantes se misturam, elas ficam “emaranhadas”, entrando em um estado quântico compartilhado. Seu estado fica exponencialmente mais complicado com cada partícula adicional, sufocando simulações até mesmo nos mais poderosos supercomputadores.
Por essa razão, os pesquisadores dizem que novas descobertas sobre o comportamento das bolhas podem ter que esperar por computadores quânticos maduros – dispositivos cujos elementos computacionais (qubits) podem lidar com qubits emaranhamento porque eles experimentam em primeira mão.
Enquanto isso, outros pesquisadores esperam que a natureza faça as contas por eles.
Michael Spannowsky e Steven Abel , físicos da Durham University, no Reino Unido, acreditam que podem contornar os cálculos complicados usando um aparato que segue as mesmas regras quânticas do vácuo. “Se você pode codificar seu sistema em um dispositivo criado na natureza, não é necessário calculá-lo”, disse Spannowsky. “Torna-se mais um experimento do que uma previsão teórica.”
Esse dispositivo é conhecido como recozedor quântico. Um computador quântico limitado, ele é especializado em resolver problemas de otimização, permitindo que os qubits busquem a configuração de energia mais baixa disponível – um processo não muito diferente da falsa decadência do vácuo.
Usando um annealer quântico comercial chamado D-Wave, Abel e Spannowsky programaram uma seqüência de cerca de 200 qubits para emular um campo quântico com um estado de energia superior e inferior, análogo a um vácuo falso e um vácuo verdadeiro. Eles então deixaram o sistema solto e observaram como o primeiro se decompôs no último – levando ao nascimento de uma bolha de vácuo.
O experimento, descrito em uma pré-impressão em junho passado, apenas verificou efeitos quânticos conhecidos e não revelou nada de novo sobre o decaimento do vácuo. Mas os pesquisadores esperam eventualmente usar o D-Wave para ir além das previsões teóricas atuais.
Uma terceira abordagem visa deixar os computadores para trás e soprar bolhas diretamente.
Bolhas quânticas que inflam quase na velocidade da luz não são fáceis de encontrar, mas em 2014, físicos na Austrália e na Nova Zelândia propôs uma forma para fazer alguns no laboratório usando um estado exótico da matéria conhecido como condensado de Bose-Einstein (BEC). Quando resfriado a quase zero absoluto, uma nuvem fina de gás pode condensar em um BEC, cujas propriedades mecânicas quânticas incomuns incluem a capacidade de interferir com outro BEC, tanto quanto dois lasers podem interferir. Se dois condensados interferirem da maneira certa, previu o grupo, os experimentalistas deveriam ser capazes de capturar imagens diretas de bolhas se formando no condensado – aquelas que agem de forma semelhante às bolhas putativas do multiverso.
“Por ser um experimento, contém por definição toda a física que a natureza deseja incluir, incluindo efeitos quânticos e clássicos ”, disse Peiris. Peiris lidera uma equipe de físicos estudando
como estabilizar a mistura condensada contra o colapso de efeitos não relacionados. Depois de anos de trabalho, ela e seus colegas estão finalmente prontos para configurar um experimento de protótipo e esperam fazer bolhas de condensação nos próximos anos.
Se tudo correr bem, eles responderão a duas perguntas: a taxa de formação de bolhas e como a inflação de uma bolha muda as chances de outra bolha inflar nas proximidades. Essas perguntas nem podem ser formuladas com a matemática atual, disse Braden, que contribuiu para a base teórica do experimento.
Peiris e outros procuraram por e não encontraram. Mas outros detalhes – como se a colisão também produz ondas gravitacionais – dependem de especificações desconhecidas da bolha.
Se o multiverso é apenas uma miragem, a física ainda pode se beneficiar da abundância de ferramentas que estão sendo desenvolvidas para descobri-lo. Entender o multiverso é entender a física do espaço, que está em toda parte.
A falsa decadência do vácuo “parece uma característica onipresente da física”, disse Peiris, e “Eu, pessoalmente, não acredito que cálculos teóricos de lápis e papel vão chegar nós lá. ”
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