Multiverso Nível III: Os Muitos Mundos da Física Quântica

Pode haver um terceiro tipo de mundos paralelos que não estão longe, mas, em certo sentido, estão aqui. Se as equações fundamentais da física são o que os matemáticos chamam de unitárias, como até agora parecem ser, então o universo continua se ramificando em universos paralelos como no desenho animado: sempre que um evento quântico parece ter um resultado aleatório, todos os resultados de fato ocorrem, um em cada ramo. Este é o multiverso de Nível III. Embora mais debatido e controverso do que os Níveis I e II, veremos que, surpreendentemente, este nível não adiciona novos tipos de universos.

No início do século XX, a teoria da mecânica quântica revolucionou a física ao explicar o reino atômico, com aplicações que vão desde a química até as reações nucleares, lasers e semicondutores. Apesar dos óbvios sucessos em sua aplicação, um acalorado debate se seguiu sobre sua interpretação — um debate que ainda persiste. Na teoria quântica, o estado do universo não é dado em termos clássicos, como as posições e velocidades de todas as partículas, mas por um objeto matemático chamado função de onda. De acordo com a chamada equação de Schrödinger, este estado evolui deterministicamente ao longo do tempo de uma forma denominada unitária, correspondendo a uma rotação no espaço de Hilbert, o espaço abstrato de dimensão infinita onde a função de onda reside. A parte complicada é que existem funções de onda perfeitamente legítimas correspondendo a situações classicamente contraintuitivas, como você estar em dois lugares diferentes ao mesmo tempo. Pior, a equação de Schrödinger pode evoluir estados clássicos inocentes para tais estados esquizofrênicos. Como um exemplo barroco, Schrödinger descreveu a famosa experiência mental onde um aparelho desagradável mata um gato se um átomo radioativo decair. Como o átomo radioativo eventualmente entra em uma superposição de decaído e não decaído, ele produz um gato que está morto e vivo em superposição.

Na década de 1920, essa estranheza foi explicada postulando que a função de onda “colapsava” em algum resultado clássico definido sempre que uma observação era feita, com probabilidades dadas pela função de onda. Einstein estava infeliz com tal aleatoriedade intrínseca na natureza, que violava a unitariedade, insistindo que “Deus não joga dados”, e outros reclamaram que não havia equação especificando quando esse colapso ocorria. Em sua tese de doutorado de 1957, o estudante de Princeton Hugh Everett III mostrou que este postulado de colapso controverso era desnecessário. A teoria quântica previu que uma realidade clássica se dividiria gradualmente em superposições de muitas. Ele mostrou que os observadores experimentariam subjetivamente essa divisão meramente como uma leve aleatoriedade, e de fato com probabilidades em exata concordância com aquelas do antigo postulado de colapso (de Witt 2003). Esta superposição de mundos clássicos é o multiverso de Nível III.

O trabalho de Everett deixou duas questões cruciais sem resposta: primeiro de tudo, se o mundo realmente contém macrosuperposições bizarras, então por que não as percebemos? A resposta veio em 1970, quando Dieter Zeh mostrou que a própria equação de Schrödinger dá origem a um tipo de efeito de censura (Zeh 1970). Este efeito ficou conhecido como decoerência e foi trabalhado em grande detalhe por Wojciech Zurek, Zeh e outros nas décadas seguintes. Superposições quânticas coerentes foram encontradas para persistir apenas enquanto fossem mantidas em segredo do resto do mundo. Uma única colisão com um fóton ou molécula de ar intrometido é suficiente para garantir que nossos amigos na Figura 5 nunca possam estar cientes de suas contrapartes na história paralela. Uma segunda questão não respondida na imagem de Everett era mais sutil, mas igualmente importante: qual mecanismo físico escolhe estados aproximadamente clássicos (com cada objeto em apenas um lugar, etc.) como especiais no Hilbert espaço assustadoramente grande? A decoerência respondeu a esta questão também, mostrando que os estados clássicos são simplesmente aqueles que são mais robustos contra a decoerência. Em resumo, a decoerência tanto identifica os universos paralelos de Nível III no espaço de Hilbert quanto os delimita uns dos outros. A decoerência agora é bastante incontroversa e tem sido medida experimentalmente em uma ampla gama de circunstâncias. Como a decoerência para todos os fins práticos imita o colapso da função de onda, ela eliminou grande parte da motivação original para a mecânica quântica não unitária e tornou a chamada interpretação de muitos mundos de Everett cada vez mais popular. Para detalhes sobre estas questões quânticas, veja Tegmark & Wheeler (2001) para um relato popular e Giulini et al. (1996) para uma revisão técnica.

Se a evolução temporal da função de onda é unitária, então o multiverso de Nível III existe, então os físicos têm trabalhado duro para testar esta crucial suposição. Até agora, nenhuma divergência da unitariedade foi encontrada. Nas últimas décadas, experimentos notáveis confirmaram a unitariedade para sistemas cada vez maiores, incluindo o volumoso átomo de carbono-60 “Buckey Ball” e sistemas de fibra óptica de tamanho de quilômetro. Do lado teórico, um argumento principal contra a unitariedade envolveu possível destruição de informação durante a evaporação de buracos negros, sugerindo que efeitos quântico-gravitacionais são não unitários e colapsam a função de onda. No entanto, um recente avanço da teoria das cordas conhecido como correspondência AdS/CFT sugeriu que mesmo a gravidade quântica é unitária, sendo matematicamente equivalente a uma teoria de campo quântico de dimensão inferior sem gravidade (Maldacena 2003).

Ao discutir universos paralelos, precisamos distinguir entre duas maneiras diferentes de ver uma teoria física: a visão de fora ou perspectiva de pássaro de um matemático estudando suas equações matemáticas fundamentais e a visão de dentro ou perspectiva de sapo de um observador vivendo no mundo descrito pelas equações*** . Da perspectiva do pássaro, o multiverso de Nível III é simples: existe apenas uma função de onda, e ela evolui suave e deterministicamente ao longo do tempo sem qualquer tipo de divisão ou paralelismo. O mundo quântico abstrato descrito por esta função de onda em evolução contém dentro dele um vasto número de histórias clássicas paralelas, continuamente se dividindo e se fundindo, bem como um número de fenômenos quânticos que carecem de uma descrição clássica. Da perspectiva do sapo, no entanto, cada observador percebe apenas uma pequena fração desta realidade completa: ela só pode ver seu próprio volume de Hubble (Nível I) e a decoerência a impede de perceber cópias paralelas de Nível III de si mesma. Quando ela é questionada, toma uma decisão rápida e responde, efeitos quânticos no nível dos neurônios em seu cérebro levam a múltiplos resultados, e da perspectiva do pássaro, seu único passado se ramifica em múltiplos futuros. Da perspectiva do sapo, no entanto, cada cópia dela não está ciente das outras cópias, e ela percebe esta ramificação quântica como meramente uma leve aleatoriedade. Depois, existem para todos os fins práticos múltiplas cópias dela que têm exatamente as mesmas memórias até o ponto em que ela responde à pergunta.

*** De fato, a imagem mental padrão do que o mundo físico é corresponde a um terceiro ponto de vista intermediário que poderia ser denominado a visão de consenso. Da sua perspectiva de sapo subjetivamente percebida, o mundo vira de cabeça para baixo quando você fica de cabeça para baixo e desaparece quando você fecha os olhos, mas você subconscientemente interpreta suas entradas sensoriais como se houvesse uma realidade externa que é independente da sua orientação, sua localização e seu estado de espírito. É impressionante que, embora esta terceira visão envolva tanto a censura (como rejeitar sonhos), a interpolação (como entre piscadas) e a extrapolação (digamos, atribuir existência a cidades invisíveis) da sua visão interna, observadores independentes ainda parecem compartilhar esta visão de consenso. Embora a visão interna pareça preto e branco para um gato, iridescente para um pássaro vendo quatro cores primárias, e ainda mais diferente para uma abelha vendo luz polarizada, um morcego usando sonar, uma pessoa cega com tato e audição mais aguçados, ou o mais recente aspirador de pó robótico superfaturado, todos concordam se a porta está aberta. O principal desafio atual na física é derivar esta visão de consenso semiclássica das equações fundamentais que especificam a perspectiva do pássaro. Na minha opinião, isso significa que, embora entender a natureza detalhada da consciência humana seja um desafio importante por si só, não é necessário para uma teoria fundamental da física.

Por mais estranho que isso possa parecer, a Figura 5 ilustra que esta mesma situação ocorre mesmo no multiverso de Nível I, a única diferença sendo onde suas cópias residem (em outro lugar no bom e velho espaço tridimensional, em vez de em outro lugar no espaço de Hilbert de dimensão infinita, em outros ramos quânticos). Nesse sentido, o Nível III não é mais estranho do que o Nível I. De fato, se a física é unitária, então as flutuações quânticas durante a inflação não geraram condições iniciais únicas através de um processo aleatório, mas sim geraram uma superposição quântica de todas as condições iniciais possíveis simultaneamente, após o que a decoerência fez com que estas flutuações se comportassem essencialmente classicamente em ramos quânticos separados. A natureza ergódica destas flutuações quânticas (Seção I B) portanto implica que a distribuição de resultados em um dado volume de Hubble no Nível III (entre diferentes ramos quânticos como na Fig. 3) é idêntica à distribuição que você obtém amostrando diferentes volumes de Hubble dentro de um único ramo quântico (Nível I). Se as constantes físicas, a dimensionalidade do espaço-tempo etc. podem variar como no Nível II, então elas também variarão entre ramos quânticos paralelos no Nível III. A razão para isto é que se a física é unitária, então o processo de quebra espontânea de simetria não produzirá um resultado único (embora aleatório), mas sim uma superposição de todos os resultados que rapidamente decoerem em ramos de Nível III separados para todos os fins práticos. Em suma, o multiverso de Nível III, se existir, não adiciona nada de novo além dos Níveis I e II — apenas mais cópias indistinguíveis dos mesmos universos, as mesmas histórias antigas se repetindo em outros ramos quânticos. Postular um efeito não unitário ainda não visto para se livrar do multiverso de Nível III, com a Navalha de Ockham em mente, portanto não deixaria Ockham mais feliz.

O debate apaixonado sobre os universos paralelos de Everett que se arrastou por décadas, portanto, parece estar terminando em um grande anticlímax, com a descoberta de um multiverso menos controverso que é tão grande quanto. Isto é reminiscente do famoso debate Shapley-Curtis da década de 1920 sobre se realmente havia uma multidão de galáxias (universos paralelos pelos padrões da época) ou apenas uma, uma tempestade em um copo d'água agora que a pesquisa avançou para outros aglomerados de galáxias, superaglomerados e até volumes de Hubble. Em retrospecto, tanto as controvérsias Shapley-Curtis quanto Everett parecem positivamente pitorescas, refletindo nossa relutância instintiva em expandir nossos horizontes.

Uma objeção comum é que a ramificação repetida aumentaria exponencialmente o número de universos ao longo do tempo. No entanto, o número de universos N pode muito bem permanecer constante. Pelo número de “universos” N , queremos dizer o número que é indistinguível da perspectiva do sapo (da perspectiva do pássaro, é claro, há apenas um) em um dado instante, ou seja, o número de volumes de Hubble macroscopicamente diferentes. Embora obviamente haja um vasto número deles (imagine mover planetas para novos locais aleatórios, imagine ter casado com outra pessoa, etc.), o número N é claramente finito — mesmo se distinguirmos pedantemente os volumes de Hubble no nível quântico para sermos excessivamente conservadores, existem “apenas” 115 cerca de 1010 com temperatura abaixo de 108 K como detalhado acima. A evolução unitária suave da função de onda na perspectiva do pássaro corresponde a um deslizamento interminável entre estes N instantâneos de universo clássico da perspectiva do sapo de um observador. Agora você está no universo A, aquele onde você está lendo esta frase. Agora você está no universo B, aquele onde você está lendo esta outra frase. Dito de outra forma, o universo B tem um observador idêntico a um no universo A, exceto com um instante extra de memórias. Na Figura 5, nosso observador primeiro se encontra no universo descrito no painel esquerdo, mas agora existem dois universos diferentes se conectando suavemente a ele como B fez a A, e em ambos, ela não estará ciente do outro. Imagine desenhar um ponto separado correspondendo a cada universo possível e desenhar setas indicando quais se conectam a quais na perspectiva do sapo. Um ponto poderia levar unicamente a um outro ponto ou a vários, como acima. Da mesma forma, vários pontos poderiam levar a um e o mesmo ponto, já que poderia haver muitas maneiras diferentes pelas quais certas situações poderiam ter surgido. O multiverso de Nível III, portanto, envolve não apenas ramos de divisão, mas também ramos de fusão.

A ergodicidade implica que o estado quântico do multiverso de Nível III é invariante sob translações espaciais, que é uma operação unitária assim como a tradução temporal. Se também é invariante sob a tradução temporal (isto pode ser organizado construindo uma superposição de um conjunto infinito de estados quânticos que são todas diferentes traduções temporais de um e o mesmo estado, de modo que um Big Bang aconteça em diferentes momentos em diferentes ramos quânticos), então o número de universos permaneceria automaticamente exatamente constante. Todos os instantâneos de universo possíveis existiriam a cada instante, e a passagem do tempo estaria apenas nos olhos de quem vê — uma ideia explorada no romance de ficção científica “Permutation City” (Egan 1995) e desenvolvida por Deutsch (1997), Barbour (2001) e outros.

O debate sobre como a mecânica clássica emerge da mecânica quântica continua, e a descoberta da decoerência mostrou que há muito mais do que apenas deixar a constante de Planck h̄ diminuir para zero. No entanto, como a Figura 7 ilustra, esta é apenas uma pequena peça de um quebra-cabeça maior. De fato, o debate interminável sobre a interpretação da mecânica quântica — e mesmo a questão mais ampla de universos paralelos — é, em certo sentido, a ponta de um iceberg. Na paródia de ficção científica “Guia do Mochileiro das Galáxias”, a resposta é descoberta como sendo “42”, e a parte difícil é encontrar a pergunta real. Perguntas sobre universos paralelos podem parecer ser tão profundas quanto as perguntas sobre a realidade podem chegar. No entanto, há uma questão subjacente ainda mais profunda: existem dois paradigmas defensáveis, mas diametralmente opostos em relação à realidade física e ao status da matemática, uma dicotomia que pode ser considerada tão antiga quanto Platão e Aristóteles, e a questão é qual deles está correto.

• PARADIGMA ARISTOTÉLICO: A perspectiva do sapo subjetivamente percebida é fisicamente real, e a perspectiva do pássaro e toda a sua linguagem matemática são meramente uma aproximação útil.
• PARADIGMA PLATÔNICO: A perspectiva do pássaro (a estrutura matemática) é fisicamente real, e a perspectiva do sapo e toda a linguagem humana que usamos para descrevê-la são meramente uma aproximação útil para descrever nossas percepções subjetivas.

O que é mais básico — a perspectiva do sapo ou a perspectiva do pássaro? O que é mais básico — a linguagem humana ou a linguagem matemática? Sua resposta determinará como você se sente sobre universos paralelos. Se você prefere o paradigma platônico, você deve achar os multiversos naturais, já que nosso sentimento de que digamos que o multiverso de Nível III é “estranho” meramente reflete que as perspectivas do sapo e do pássaro são extremamente diferentes. Quebramos a simetria chamando a última de estranha porque todos nós fomos doutrinados com o paradigma aristotélico quando crianças, muito antes de sequer ouvirmos falar de matemática - a visão platônica é um gosto adquirido!

No segundo caso (platônico), toda a física é, em última análise, um problema de matemática, já que um matemático infinitamente inteligente dadas as equações fundamentais do cosmos poderia, em princípio, computar a perspectiva do sapo, ou seja, computar quais observadores autoconscientes o universo conteria, o que eles perceberiam e qual linguagem eles inventariam para descrever suas percepções uns aos outros. Em outras palavras, há uma “Teoria de Tudo” (TOE) no topo da árvore na Figura 7 cujos axiomas são puramente matemáticos, já que postulados em português sobre interpretação seriam deriváveis e, portanto, redundantes. No paradigma aristotélico, por outro lado, nunca pode haver uma TOE, já que se está apenas explicando certas declarações verbais por outras declarações verbais — isto é conhecido como o problema do regresso infinito (Nozick 1981).