E se a “substância” fundamental do universo não for matéria nem energia, mas informação?

Essa é a ideia que alguns teóricos estão cogitando enquanto buscam descrições cada vez mais elegantes e concisas das leis que governam nosso universo. Pode nosso universo, em toda sua riqueza e diversidade, realmente ser apenas um monte de bits?

Para entender porque tanto interesse em informação, nós temos que começar do início: o que é informação?

Isto é informação.

Da mesma forma, também é informação uma imagem como esta:

E uma equação como esta:

“Não importa se algo consiste em equações, palavras, imagens ou sons – você pode codificar tudo isso em sequências de zeros e uns”, ou bits, diz Scott Aaronson, professor associado de engenharia elétrica e ciências da computação no MIT. Seu computador está fazendo isso agora, utilizando pequenos imãs, capacitores e transistores para armazenar bilhões ou trilhões de dígitos binários. “Esses podem ter sido conceitos difíceis para as pessoas entenderem há um século, mas por causa da revolução computacional, lidamos com esses conceitos o tempo todo”, diz Aaronson. Numa época em que um drive USB pode ser levado no chaveiro e um iPhone estica as costuras do bolso da calça, não é exagero afirmar que qualquer coisa pode ser expressada em informação.

Para alguns teóricos, porém, informação é mais do que apenas uma descrição do nosso universo e das coisas que existem nele: é a moeda mais básica da existência, ocupando o que o teórico Paul Davies chama de ‘’fundamento ontológico’’ da realidade.

As regras da informação quântica fornecem a mais “compacta” descrição da física, diz Vlatko Vedral, professor de teoria da informação quântica na Universidade de Oxford e na Universidade Nacional de Singapura. “Informação, ao que me parece, exige menos pressupostos em relação a qualquer outra coisa que possamos postular. Assim que você fala sobre matéria e energia, você deve escrever leis que governam matéria e energia.”

Isso significa que nosso universo é feito de informação, como algumas manchetes afirmam?

“Isso me parece uma questão sem conteúdo”, diz Aaronson. “Dizer que matéria e energia são importantes na física é dizer algo com conteúdo’’. Você pode imaginar um universo desprovido de matéria e energia. Afinal, afirmar que nosso universo é formado por matéria e energia diz algo a seu respeito e distingue-o de outros possíveis universos. “Mas, por outro lado, eu não sei como você poderia até mesmo conceber um universo sem nenhuma informação”, diz ele.

Porém, enquanto nova forma de pensar sobre do que é feito o universo, a informação desencadeou um trabalho provocativo entre ciências da computação e astrofísica teórica, campos aparentemente distintos mas que podem compartilhar uma profunda conexão revelada por aquela Pedra de Rosetta cósmica, o buraco negro. Mas antes de nos aprofundarmos na questão do buraco negro, vamos dar um passo para trás e olhar com maior atenção a informação em si mesma.

Todas as mensagens contêm informações, mas nem todas as mensagens são criadas da mesma maneira. “Coisas inesperadas têm alto conteúdo de informação”, diz Vedral. Pense no nascer do Sol, por exemplo. “Se o sol surgir amanhã, você não verá nenhum jornal escrevendo sobre isso. Mas é claro que se não surgisse, isso seria um grande evento”.

Sentimos intuitivamente que “surpresas”, como um nascer do sol que não ocorreu, trazem mais informações do que eventos rotineiros. Claude Shannon, amplamente considerado o pai da teoria da informação, formalizou essa intuição definindo uma quantidade que agora é conhecida como “entropia de Shannon”. A entropia de Shannon relativa a uma determinada mensagem está relacionada à soma do logaritmo da probabilidade de cada bit da mensagem assumir um valor particular. Isso parece complicado, mas Vendral explica que essa entropia captura matematicamente duas características importantes da informação: o valor das surpresas e o fato de que a informação é “aditiva” – isto é, a informação total contida em dois, três, quatro ou em bilhões de eventos não relacionados é igual à soma das informações em cada um deles.

Os físicos descrevem a entropia de um modo um pouco diferente, muitas vezes falando em termos de “desordem” de um sistema. Mais precisamente, entropia é o número de diferentes maneiras de reorganizar as menores partes de um sistema e ainda assim obter o mesmo grande sistema. Um balde cheio de peças de Lego vermelhas, por exemplo, tem alta entropia. Agite-o, gire-o, e você continua com o que começou: um balde com peças de Legos vermelhos. Monte esses mesmos blocos em um castelo de Lego, porém, e você cortou a entropia; mova um único bloco desse castelo você terá um sistema “macroscópico” diferente.

Em qualquer perspectiva que você escolha, o resultado essencial será o mesmo. Pegue o parágrafo que você está lendo agora, por exemplo, com suas muitas letras diferentes, marcas de pontuação e espaços dispostos em uma ordem muito particular. Ele contém mais informações e, portanto, tem maior entropia do que um parágrafo como este, embora ambos tenham o mesmo número de caracteres:

aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa

Entropia, portanto, fornece uma medida não apenas do tamanho mas o conteúdo da informação de uma mensagem.

Agora imagine construir o disco rígido definitivo, um que contenha a quantidade máxima de informações permitida pela física. Por que a física deve colocar um limite na capacidade de armazenamento de informações desse disco rígido hipotético? Pensando nisso de uma perspectiva puramente clássica, parece que você poderia armazenar uma quantidade infinita de informações. Mas quando adicionamos mecânica quântica à mistura, introduzimos limites fundamentais na precisão de nossas medidas. Esses limites indicam uma entropia máxima de cerca de 1069 bits por metro quadrado. “Se você tentasse empacotar informações mais densamente que isso”, diz Aaronson, “seu disco rígido colapsaria em um buraco negro”. Essa última frase não é apenas uma nota de rodapé lunática. Os buracos negros, afinal de contas, são os maiores repositórios de informação do universo (claro, Aaronson ressalta, eles não seriam discos rígidos muito práticos, a não ser que você estivesse disposto a esperar cerca de 1070 anos para recuperar seus dados).

Mas há algo estranho sobre a forma como a entropia de um buraco negro cresce. Como os físicos Stephen Hawking e Jacob Bekenstein descobriram na década de 1970, a entropia de um buraco negro aumenta com a área de superfície bidimensional do buraco negro, conforme definido por um escudo esférico imaginário com raio Rs. Isso é bizarro, pois você esperaria que a quantidade máxima de informação que se pode colocar em qualquer objeto, como um livro ou disco rígido, seja proporcional ao volume tridimensional desse objeto, e não à área de sua superfície.

Essa discrepância é mais do que apenas um arcano teórico. Para os físicos, sugere que as leis fundamentais da física podem ter uma representação mais simples em duas dimensões, em vez das três tradicionais. Em 1997, o físico argentino Juan Maldacena, agora no Instituto de Estudos Avançados, aproveitou-se dessa ideia para elaborar “dualidade” matemática entre nosso universo e outro com menos dimensões espaciais, uma dimensão de tempo e sem gravidade. Isso propiciou um atalho matemático bem útil: os problemas que são difíceis de resolver em um universo (domínio) podem ser superados com facilidade no outro.

Para alguns teóricos, a dualidade não é apenas matemática. O universo como nós o experienciamos, dizem eles, pode ser na realidade a projeção de informações codificadas em algum limite cósmico distante. Onde essa fronteira reside e como a projeção ocorre ainda são perguntas abertas, mas esses teóricos argumentam que nossa realidade pode ser, em essência, um holograma análogo às imagens prateadas nos cartões postais da loja de um museu.

Nós temos que agradecer à teoria da informação por essa peculiar reviravolta na trama. Mas se é difícil imaginar uma aplicação prática para este “princípio holográfico”, é muito mais fácil ver como a informação quântica está mudando a computação. Isso porque a informação quântica não possui as mesmas propriedades básicas da informação clássica. Os bits que compõem a informação clássica podem ser ou um ou zero. Mas os “qubits” que compõem as informações quânticas podem existir em uma superposição dos estados “um” e “zero”; Em certo sentido, eles podem assumir ambos os estados ao mesmo tempo. Para manter essa sobreposição, porém, os qubits devem existir em perfeito isolamento. Assim que esse isolamento é perturbado, a sobreposição desmorona.

“A informação quântica é como a informação em um sonho”, explicou Charles Bennett, cientista de informação quântica da IBM Research, em uma recente palestra na reunião anual da Associação Americana para o Avanço da Ciência. “Ao descrevê-la, você muda sua memória sobre ela.” Isso pode não soar como uma qualidade desejável em um computador, mas em combinação com o entrelaçamento, isso pode ser explorado para acelerar dramaticamente certos tipos de cálculos e enviar mensagens criptografadas perfeitamente seguras. Como observa Steve Girvin, físico teórico da Universidade de Yale, isso também pode ser usado para gerar números genuinamente aleatórios, adequados para chaves de criptografia. A criptografia quântica já está sendo utilizada comercialmente para algumas transferências bancárias e outras transmissões de dados altamente seguras.

“Essa segunda revolução quântica, a revolução da informação, é uma surpresa completa”, diz Girvin. “Levamos décadas para lidar com a estranheza e perceber que a informação dos sistemas mecânicos quânticos é diferente do conteúdo da informação dos sistemas clássicos, e não ter certeza sobre algo pode na verdade ser bom em vez de ruim”.

A informação quântica é uma coisa útil – mas o que ela está nos dizendo sobre a natureza fundamental da nossa realidade? Alguns pensadores argumentam que isso sugere que nosso universo inteiro é ele mesmo um computador quântico. “Eu gosto dessa imagem”, diz Vedral, enquanto admite que a analogia é imperfeita. “Você poderia perguntar, posso tratar o resto do universo como algo que eu possa programar da mesma maneira que programo meu simples computador?” Não, responde Vedral. “Você ainda está limitado pelas leis da física, e você tem uma certa quantidade de recursos que são finitos. Há cálculos que você nunca será capaz de executar”. A computação que só este computador quântico é capaz de realizar é a computação de sua própria evolução.

Se a informação é só uma forma útil de pensamento sobre o universo ou algo mais profundo, continuamos sem saber. “Nós ainda estamos lutando para entender aquilo nossas teorias realmente estão nos dizendo”, diz Vedral. “Você tem que dar um salto de imaginação para entender”.

(fonte)