Ao estudar um sistema complexo, os cientistas identificam peças menores chamadas subsistemas que podem entender. Ao estudar os subsistemas e as correlações entre eles, eles reconstroem uma compreensão do todo.
Essa abordagem tem sido usada com grande sucesso para explicar fenômenos e desenvolver aplicações baseadas na mecânica quântica – a física da matéria e energia na escala do átomo ou menor. Mas descreve amplamente sistemas que operam em um mundo onde o tempo é absoluto.

Fica aquém ao descrever cenários que consideram a teoria da relatividade geral de Einstein, onde o tempo é relativo e fortemente entrelaçado com o espaço em um espaço-tempo de quatro dimensões.

Agora, um estudo teórico de coautoria de Alexander Smith, professor assistente adjunto de física, e Shadi Ali Ahmad '22, propõe uma nova estrutura para identificar subsistemas e correlações de maneira compatível com a relatividade geral.

Seu trabalho pode ser aplicado na construção de uma descrição quântica do espaço-tempo, diz Smith. Os físicos teóricos há muito se esforçam para combinar a mecânica quântica e a relatividade geral na teoria unificada da gravidade quântica. As tentativas de finalmente reconciliar essas teorias fundamentalmente diferentes que descrevem o universo vêm progredindo nas últimas duas décadas.

A nova estrutura, publicada em abril nas Cartas de Revisão Física journal, baseia-se em trabalhos anteriores sobre subsistemas da James Frank Family Professor of Physics Lorenza Viola e seus colaboradores.

"A mecânica quântica permite correlações que não são consistentes com nossa compreensão clássica do mundo", diz Smith. Viola e seus colaboradores nos deram uma nova maneira de pensar sobre essas peculiares correlações quânticas, diz ele. Em sua estrutura, em vez de ter partes de construção compostas que são coladas em um sistema maior, os subsistemas surgem do sistema complexo com base nos tipos de medições que podem ser feitas.

Smith, Ahmad e seus colaboradores aplicam essa ideia para construir uma estrutura para identificar subsistemas, que é consistente com a teoria da relatividade, e descobrem que a noção de subsistema não é mais objetiva.

"A forma como particionamos um sistema também é relativa. Depende de quem está olhando para ele", diz Smith. Embora seu método atualmente se aplique a sistemas simples, os autores estão trabalhando para generalizar a estrutura.

Vários conceitos teóricos que estão impulsionando a compreensão emergente da gravidade quântica têm sua origem na teoria da informação quântica – um campo relativamente novo que estuda como a informação em um sistema quântico pode ser analisada e manipulada. “A ciência da informação quântica nos deu uma maneira totalmente nova de pensar sobre a própria mecânica quântica”, diz Smith.

Trabalhando com Smith e outros pesquisadores, Ahmad, que é de Beirute, Líbano, e formado em física e matemática, usou a teoria da informação quântica para estudar vários problemas teóricos diferentes.

Em trabalho anterior, publicado na Revisão Física D , eles foram os primeiros a examinar como as ondas gravitacionais – ondulações no espaço-tempo causadas quando objetos astronômicos massivos aceleram a níveis extremos – afetam o emaranhamento entre sistemas.

Outro projeto, publicado na Physical Review A , aborda a questão de como o trabalho – a medida de quanta energia é transferida quando uma força atua sobre um objeto – pode ser definido na escala quântica.

Smith diz que Ahmad é um dos alunos mais motivados para aprender, trabalhadores e produtivos que ele encontrou. "Ver Shadi desenvolver sua habilidade em física teórica nos últimos quatro anos foi muito gratificante", diz ele.

Ahmad ganhou o Prêmio Gazzaniga Family Science 2022, que reconhece a realização científica de um formando em ciências. Ele também recebeu o Prêmio da Cátedra de Física e Astronomia.

"A teoria da informação quântica é uma caixa de ferramentas que eu gosto de pegar emprestado e usar amplamente", diz Ahmad. A promessa de acesso a oportunidades de pesquisa de graduação e financiamento foi o que o atraiu para Dartmouth, diz ele. Agora pesquisador em Dartmouth, Ahmad está concluindo projetos em andamento enquanto se prepara para se candidatar a programas de pós-graduação.

Com as aulas como trampolim, ele procurou mentores de pesquisa nos departamentos de física e matemática, colaborando com eles em uma ampla gama de tópicos de pesquisa.

"Falar sobre ciência com as pessoas molda a maneira como você pensa", diz Ahmad, que já tem três publicações em seu currículo. "Eu acho que isso realmente aguça o seu interesse." + Explorar mais

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