Os multiversos de nível 1 e 2 envolvem mundos paralelos infinitamente afastados, além do domínio dos próprios astrônomos. Mas o próximo nível de multiverso está bem perto de você. Surge da famosa interpretação controvertida sobre os multimundos da mecânica quântica - a idéia de que processos quânticos aleatórios fazem o Universo se ramificar em múltiplas cópias, uma para cada resultado possível.
No início do século 20 a teoria da mecânica quântica revolucionou a física explicando que o reino atômico não obedece às leis clássicas da mecânica newtoniana. Apesar dos êxitos da teoria, surgiu um debate caloroso em torno do seu real significado. A teoria define o estado do Universo não em termos clássicos, como a posição e velocidade de todas as partículas, mas em termos de um recurso matemático chamado função de onda. De acordo com a equação de Schrödinger, esse estado evolui no tempo de uma forma que os matemáticos denominam "unitário", o que quer dizer que a função de onda gira num espaço abstrato de dimensões infinitas, o espaço de Hilbert. Embora a mecânica quântica seja comumente descrita como inerentemente aleatória e incerta, a função de onda evolui de forma determinística. Quanto a isso, não há dúvida ou aleatoriedade.
A parte mais complicada está em se conseguir associar esta função de onda ao que é observado. Muitas funções de onda legítimas correspondem a situações que vão contra a intuição, como o caso do gato que, ao mesmo tempo, está vivo e morto, na chamada superposição. Na década de 20, os físicos tentaram justificar esses fatos estranhos afirmando que a função de onda "colapsava" em certos casos clássicos bem definidos, toda vez que alguém fazia uma observação. Esse postulado, que deveria servir para explicar as observações, tornou-se uma teoria elegante e unitária dentro de uma outra teoria não-unitária. A aleatoriedade intrínseca normalmente atribuída à mecânica quântica é o resultado desse postulado. Ao longo dos anos, muitos físicos abandonaram essa visão em benefício de uma outra perspectiva desenvolvida, em 1957, por um aluno de graduação de Princeton, Hugh Everett III. Ele mostrou que o postulado do colapso é desnecessário. A teoria quântica original, na verdade, não é contraditória. Embora ela prediga que uma realidade clássica gradualmente se subdivide em superposições de muitas dessas realidades, os observadores subjetivamente experimentam esta subdivisão simplesmente como uma leve aleatoriedade, com probabilidades que concordam com as do antigo postulado do colapso. Esta superposição de mundos clássicos constitui o multiverso de nível 3.
A interpretação de mundos múltiplos de Everett vem surpreendendo os físicos e outros especialistas por mais de quatro décadas. Tudo se toma mais fácil de assimilar quando se percebe que uma teoria física pode ser vista de duas formas: a visão externa, a de um físico estudando as equações matemáticas, como um pássaro descortinando a paisagem a partir de um ponto elevado, e a visão interna de um observador vivendo no mundo descrito pelas equações, como uma rã, na paisagem do pássaro.
Do ponto de vista do pássaro, o multiverso de nível 3 é simples. Há somente uma função de onda. Ela evolui suavemente e de forma determinística ao longo do tempo sem nenhum tipo de divisão ou paralelismo. O mundo quântico abstrato descrito por essa função de onda evolvente, contém, em si, um número enorme de linhas clássicas de estórias paralelas, continuamente se dividindo e se misturando, assim como muitos fenômenos quânticos que precisam ser descritos classicamente. Da perspectiva da rã, os observadores percebem somente uma pequena fração de toda a realidade. Eles conseguem ver seu próprio universo de nível 1, mas um processo chamado de decoerência — que imita o colapso da função de onda e ao mesmo tempo preserva a unitariedade - os impede de ver as cópias paralelas de nível 3 de si mesmos.
Sempre que uma pergunta é feita a um observador, uma rápida decisão é tomada para dar a resposta. Os efeitos quânticos são interpretados pelo seu cérebro como uma superposição de resultados, tais como "Continue a ler o artigo" e "Pare de ler o artigo". Da perspectiva do pássaro, o ato de tomar uma decisão faz com que a pessoa se divida em múltiplas cópias: uma que continua a ler e outra que pára de ler. Da perspectiva da rã, no entanto, cada um desses alter egos não tem conhecimento dos demais e interpreta a ramificação como uma ligeira aleatoriedade: uma certa probabilidade de continuar a ler ou de parar de ler.
Por mais estranho que possa parecer, acontece exatamente a mesma coisa até no multiverso de nível 1. Evidentemente, você decidiu continuar a ler o artigo, mas um de seus alter egos,em uma galáxia distante, abandonou a revista depois de ler o primeiro parágrafo. A única diferença entre o nível 1 e o 3 está em saber onde vivem seus alter egos. No nível 1 eles vivem em algum lugar, no nosso velho conhecido espaço tridimensional. No nível 3 eles vivem em um outro nível quântico do espaço de Hilbert de infinitas dimensões.
Buracos Negros e Informação
A existência do nível 3 depende de uma hipótese fundamental: a evolução temporal da função de onda deve ser unitária. Até agora os experimentos não constataram nenhuma falta de unitariedade. Nas últimas décadas a unitariedade tem sido confirmada, inclusive em sistemas maiores, incluindo as moléculas de carbono 60, fulerenos e fibras ópticas de quilômetros de comprimento. Do ponto de vista teórico, o caso da unitariedade foi reforçado pela descoberta da decoerência. Alguns teóricos que trabalham com a gravidade quântica têm questionado a unitariedade. Um argumento é que a evaporação de buracos negros deve destruir a informação que poderia ser um processo não-unitário. Um avanço fabuloso recente na teoria das cordas, conhecido como a correspondência AdS/CFT, sugere que até a gravidade quântica é unitária. Se isto for verdade, os buracos negros não destroem a informação, mas a transmitem para outro lugar.
Se a física fosse unitária, mudaria a concepção do quadro padrão sobre como as flutuações quânticas funcionavam nos primórdios do Big Bang. As flutuações não geravam condições iniciais ao acaso. Ao contrário, geravam uma superposição quântica de todas as possíveis condições iniciais que coexistiam. A decoerência produziu então essas condições iniciais de comportamento clássico em ramos quânticos separados. Eis aí um ponto crucial: a distribuição de respostas em ramos quânticos diferentes em um dado volume de Hubble (nível 3) é idêntica à distribuição de respostas em diferentes volumes de Hubble dentro de um único ramo quântico (nível 1). Esta propriedade das flutuações quânticas é conhecida em mecânica estatística como ergodicidade.
O mesmo raciocínio se aplica ao nível 2. O processo de quebra de simetria não produz um único resultado, ao contrário, uma superposição de todos os resultados, que rapidamente passam para suas formas separadas. Assim, se as constantes físicas, dimensão espaço-tempo e outras puderem variar entre ramos quânticos paralelos no nível 3, então elas também variarão entre os universos paralelos do nível 2.
Em outras palavras, o multiverso de nível 3 não acrescenta nada aos multiversos do níveis 1 e 2, apenas mais cópias indistinguíveis dos mesmos universos — as mesmas velhas linhas da estória ocorrendo sucessivamente em outros ramos quânticos. A discussão acalorada sobre a teoria de Everett parece estar terminando num grande anticlímax, com a descoberta de que multiversos menos controvertidos (níveis 1 e 2) são igualmente extensos.
Nem é preciso mencionar que essas idéias têm implicações profundas e os físicos estão apenas começando a explorá-las. Basta pensar, por exemplo, nas ramificações da resposta para uma questão que perdura há muito tempo: Será que o número de universos aumenta exponencialmente com o tempo? A resposta, surpreendentemente, é não. Da perspectiva do pássaro, naturalmente há somente um universo. Do ponto de vista da rã, o que importa é o número de universos perceptíveis num certo instante - isto é, o número perceptível de diferentes volumes de Hubble. Imagine que fosse possível mover os planetas aleatoriamente para novas posições; imagine se você tivesse se casado com outra pessoa e assim por diante. No nível quântico, há 10 elevado a 10118 universos com temperaturas abaixo de 108 K. É um universo vastíssimo, sem dúvida, mas finito.
Da perspectiva da rã, a evolução da função de onda corresponde a uma passagem contínua de um estado para outro desses 10 elevado a 10118 estados. Suponhamos agora que você esteja no universo A, onde está lendo esta frase e agora já esteja no universo B, onde está lendo esta outra frase. Vamos pensar de outro modo: suponhamos que no universo B há um observador idêntico a um outro no universo A, exceto por um instante a mais de lembranças. Todos os estados possíveis coexistem em cada instante, de modo que o transcorrer do tempo depende do observador - uma idéia explorada no romance de ficção científica de Greg Egan, de 1994 chamada Permutation City, e desenvolvida pelos físicos David Deutsch, da University of Oxford, Julian Barbour e outros. A estrutura do multiverso pode se tornar então fundamental na compreensão da natureza do tempo.
Nível 4: Outras Estruturas Matemáticas
As condições iniciais e as constantes físicas dos multiversos de níveis 1, 2 e 3 podem variar, mas as leis fundamentais da natureza permanecem as mesmas. Por que parar por aqui? Por que não permitir que as próprias leis possam variar? Que tal conceber um universo que obedecesse às leis da física clássica sem nenhum efeito quântico? E se o tempo passasse em intervalos discretos, como ocorre para os computadores, em vez de ser contínuo? E num universo que fosse simplesmente um dodecaedro vazio? No multiverso de nível 4 todas estas realidades alternativas são possíveis.
Uma pista de que tal multiverso não é apenas uma especulação absurda é a forte correspondência existente entre os mundos do raciocínio abstrato e da realidade observada. As equações e, mais genericamente, as estruturas matemáticas tais como números, vetores e objetos geométricos descrevem o mundo com considerável veracidade. Numa famosa entrevista em 1959, o físico Eugene P. Wigner argumentava que "a imensa utilidade da matemática nas ciências naturais é algo que beira o mistério". De fato, as estruturas matemáticas pareciam-lhe realmente assustadoras. Elas satisfazem um critério básico de existência objetiva: são as mesmas, independentemente de quem as estude. Um teorema é verdadeiro seja ele demonstrado por uma pessoa, por um computador ou por um golfinho inteligente. Civilizações alienígenas contemplativas poderiam dispor das mesmas estruturas matemáticas que nós. Por isso, os matemáticos costumam dizer que eles não criaram as estruturas matemáticas, mas as descobriram.
Há dois paradigmas válidos, mas diametralmente opostos na correspondência entre a matemática e a física, uma dicotomia cuja argumentação remonta a Platão e Aristóteles. De acordo com o paradigma aristotélico, a realidade física é fundamental e a linguagem matemática é uma aproximação útil. De acordo com o paradigma de Platão, a estrutura matemática é a realidade verdadeira e os observadores a percebem de forma imperfeita. Em outras palavras, os dois paradigmas discordam no que é essencial, a perspectiva da rã como observadora ou a perspectiva do pássaro sobre as leis físicas. O paradigma aristotélico privilegia a perspectiva da rã enquanto o paradigma platônico assume a perspectiva do pássaro.
Quando éramos crianças, muito antes de ouvirmos falar em matemática, fomos todos doutrinados com o paradigma de Aristóteles. A visão platônica foi um gosto adquirido. Os físicos teóricos modernos tendem a ser platônicos, suspeitando que a matemática seja uma descrição muito boa do Universo porque o Universo é inerentemente matemático. De acordo com esse pensamento, tudo na física se resume, em última instância a um problema matemático: um matemático com uma inteligência ilimitada e recursos poderia, em princípio, calcular a perspectiva da rã - ou seja, calcular que observadores autoconscientes contêm o Universo, o que eles percebem e que linguagem inventaram para descrever suas percepções.
A estrutura matemática é um conceito abstrato, uma entidade imutável que existe além do espaço e do tempo. Se a história fosse um filme, a estrutura não corresponderia a um único fotograma, mas ao rolo de filme inteiro. Vamos imaginar, por exemplo, um mundo formado por partículas pontuais deslocando-se no espaço tridimensional. No espaço-tempo quadridimensional - a perspectiva do pássaro - as trajetórias dessas partículas se pareceriam com um emaranhado de espaguete. Se a rã vir uma partícula deslocando-se com velocidade constante, o pássaro a verá como um fio reto de espaguete cru. Se a rã vir um par de partículas orbitando, uma em torno da outra, o pássaro verá dois fios de espaguete enroscados como uma hélice dupla. Para a rã, o mundo é descrito pelas leis do movimento e da gravitação de Newton. Para o pássaro, é descrito pela geometria da pasta - uma estrutura matemática. A própria rã será uma simples porção de pasta, cujo emaranhado altamente complexo corresponde a um agrupamento de partículas armazenando e processando informações. Nosso Universo é muito mais complicado que esta analogia e os cientistas não sabem ainda a que estrutura matemática ele corresponde, se é que existe alguma.
O paradigma platônico levanta a questão de por que o Universo é como é. Para um aristotélico, esta questão é insignificante: o Universo simplesmente existe. Um platônico não pode fazer nada, apenas divagar sobre por que ele não poderia ser diferente. Se o Universo for inerentemente matemático, então por que somente uma das várias estruturas matemáticas foi selecionada para descrevê-lo? Parece que bem no âmago da realidade reside uma assimetria fundamental.
Para resolver esse conflito sugeri que uma simetria matemática completa seja válida, e da mesma forma, todas as estruturas matemáticas têm existência física. Cada estrutura matemática corresponde a um universo paralelo. Os elementos desse multiverso não se encontram no mesmo espaço, mas existem fora do espaço e do tempo. Muitos deles provavelmente são desprovidos de observadores. Esta hipótese pode ser encarada como uma forma de platonismo radical, ao afirmar que as estruturas matemáticas no mundo das idéias de Platão ou na "visão mental" do matemático Rudy Rucker da San Jose State University existem fisicamente. Isto é muito parecido com o que o cosmólogo John D. Barrow da University of Cambridge se refere como "PI no céu", o que o filósofo da Harvard University, Robert Nozick, já falecido, chamou de principio da fecundidade e o que o filósofo da Princeton David K. Lewis, também falecido, chamou de realismo modal. O nível 4 encerra a hierarquia de multiversos, porque qualquer teoria física básica autoconsistente pode ser descrita por algum tipo de estrutura matemática.
A hipótese de multiverso de nível 4 põe em xeque algumas predições. Como no caso do nível 2, envolve um conjunto (neste caso, o domínio completo das estruturas matemáticas) e efeitos de seleção. Como os matemáticos continuam a categorizar as estruturas matemáticas, eles supõem que a estrutura que descreve o nosso mundo seja consistente com nossas observações e a mais genérica possível. Analogamente, nossas observações futuras devem ser as mais genéricas, coerentes com as nossas observações passadas, e que estas sejam as mais genéricas e compatíveis com a nossa existência.
Quantificar o significado de "genérico" é um problema sério e esta questão começou a ser pesquisada somente agora. Uma característica valiosa e encorajadora das estruturas matemáticas é que as propriedades de simetria e invariância responsáveis pela simplicidade e organização do nosso Universo tendem a ser genéricas, são mais a regra que a exceção. As estruturas matemáticas tendem a tê-las por default é necessário acrescentar axiomas adicionais complicados para que elas possam prosseguir.
O que Diz Occam?
As teorias científicas de universos paralelos, formam portanto uma hierarquia de quatro níveis, na qual os universos tornam-se progressivamente mais diferentes que o nosso. Eles devem ter condições iniciais diferentes (nível 1), constantes físicas, partículas e simetrias diferentes (nível 2) ou leis físicas diferentes (nível 4). Parece até irônico que o nível 3 tenha sido o que mais gerou controvérsias nas últimas décadas, porque ele é o único que acrescenta novos tipos de universos de forma não qualitativa.
Na próxima década, medições cosmológicas extremamente melhoradas da radiação de microondas de fundo e da distribuição de matéria de larga escala sustentarão ou refutarão o nível 1 através de uma melhor definição da curvatura e da topologia do espaço. Essas medições poderão testar também o nível 2, pondo à prova a teoria da inflação caótica. Os progressos tanto na astrofísica quanto na física de altas energias também poderão esclarecer até que ponto as constantes físicas estão bem sintonizadas e assim enfraquecendo ou fortalecendo o caso do nível 2.
Se os esforços atuais para construir computadores quânticos forem bem-sucedidos, as medições fornecerão mais evidências para o nível 3, basicamente, explorando o paralelismo do multiverso do nível 3 para a computação paralela. Os físicos experimentais também estão procurando evidências de violação da unitariedade, o que excluiria o nível 3. Finalmente, o sucesso ou o fracasso do grande desafio da física moderna - a unificação da teoria geral da relatividade e da teoria quântica dos campos - vai dividir as opiniões sobre o nível 4. Ou vamos encontrar uma estrutura matemática que se ajuste exatamente ao nosso Universo ou vamos chegar ao limite das expectativas da efetividade da matemática e ter de abandonar esse nível.
Então você deveria acreditar em universos paralelos? Os principais argumentos contra sustentam que eles são um desperdício e que são muito estranhos. O primeiro argumento afirma que a teoria de multiversos é vulnerável à navalha de Occam porque supõe a existência de outros mundos que nunca poderemos observar. Porque a natureza seria tão perdulária e incorreria nesse exagero de dispor de uma infinidade de mundos diferentes. Esse argumento pode ser revertido com um contra-argumento a favor do multiverso. O que exatamente a natureza estaria desperdiçando? Certamente não seria o espaço, a massa ou os átomos. O multiverso de nível 1 que, em princípio, é aceito sem controvérsias, já contém uma quantidade infinita de todos eles. Então quem se importaria se a natureza desperdiçasse um pouco mais?
O AUTOR:
MaxTegmark escreveu uma versão quadridimensional do jogo de computador Tetris enquanto estava na universidade. Num universo parale-lo, passou a desenvolver softwares, sendo muito bem remunerado. No nosso, tornou-se professor de física e astronomia da University of Pennsylvania. Tegmark é especialista na análise da radiação cósmica de fundo e aglomerado galácticos. A maior parte de seu trabalho trata do conceito de universos paralelos. Tegmark dedica-se à avaliação das evidências do espaço infinito e da inflação cosmologica; desenvolve insights da decoerência quântica e estuda a possibilidade de que a amplitude das flutuações da radiação cósmica de fundo, a dimensionalidade do espaço-tempo e as leis fundamentais da física possam variar de lugar para lugar.
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