Por uma métrica, as maiores notícias de física deste ano aconteceram há 80 anos. No entanto, embora o sucesso de um filme sobre a fabricação da bomba atômica tenha sido uma surpresa, as descobertas provenientes de laboratórios de física reais — incluindo o maior laboratório de todos eles, o próprio universo — não foram menos impressionantes do que o aumento do interesse sobre J. Robert Oppenheimer.

A Telescópio espacial James Webb, agora no segundo ano de operações científicas, continua a devolver imagens impressionantes do cosmos, e os resultados científicos de 2022 transformaram-se agora numa torrente. De sua posição a um milhão de quilômetros de distância, o JWST estuda tudo, desde as galáxias mais distantes do universo para os planetas e luas ao lado. A única constante tem sido a surpresa: as observações do telescópio continuamente desafiar teorias bem estabelecidas e forçar os cientistas a reimaginar como os objetos cósmicos se tornaram familiares - coisas como estrelas, planetas e buracos negros.

Os buracos negros também estão no centro de uma das descobertas mais notáveis ​​de 2023: evidências de ondas gravitacionais produzidas por colidindo com buracos negros supermassivos. Para detectar essas ondulações no espaço-tempo, vários consórcios de astrônomos examinaram o cosmos durante 15 anos — tempo suficiente para detectar as pequenas flutuações temporais que ocorrem à medida que as ondas gravitacionais passam pela Terra.

Mais perto de casa, os cientistas estão ocupados manipulando e compreendendo o mundo quântico – um domínio que muitas vezes não segue as regras normais. Este ano assistimos a alguns avanços notáveis ​​na O hardware mais básico da computação quântica, os qubits que em sua forma final poderiam alimentar cálculos extremamente complexos. E, o que é crucial, os investigadores também fizeram melhorias na correção de erros quânticos, que continua sendo um dos problemas mais difíceis de resolver.

Mas esses avanços não significam que terminamos de compreender o universo desde a maior até a menor escala. A nossa próxima órbita em torno do Sol poderá estar repleta de revelações ainda mais profundas.

Tem sido dito muitas vezes que cada vez que olhamos para o universo sob uma nova luz – ou através de uma nova lente – vemos coisas que nunca imaginamos. O Telescópio Espacial James Webb da NASA cumpriu essa promessa. Na virada do ano, os astrônomos anunciaram que o olho dourado e em forma de favo de mel do telescópio havia roubado olhares de as primeiras estrelas do universo. JWST também vi a luz das galáxias que brilhou cerca de 300 milhões de anos após o grande estrondo que criou o universo como o conhecemos. Nas imagens do JWST, essas galáxias são “tão estupidamente brilhantes”, disse Rohan Naidu do Instituto de Tecnologia de Massachusetts. Agora, os astrônomos estão lutando para explicar como essas galáxias cresceram tão rapidamente, já que seu tamanho e precocidade desafiam as expectativas.

O mesmo se aplica aos buracos negros supermassivos que ancoram as galáxias na tapeçaria cósmica. Os cientistas esperavam ver alguns buracos negros volumosos no universo primitivo, mas o JWST está avistando-os aos montes. E eles estão aparecendo mais cedo e com mais peso do que o esperado. Os astrônomos esperam que tais observações revelem como esses gigantescos buracos negros se formaram. “Há tanto tempo que espero por essas coisas”, disse Marta Volonteri, astrofísico do Instituto de Astrofísica de Paris.

Mais perto de casa, na nebulosa de Órion da nossa galáxia, o JWST detectou recentemente 42 pares de objetos intrigantes que orbitam um ao outro. Esses mundos podem ser estrelas ou planetas flutuantes. É difícil dizer. Mas de qualquer forma, estes mundos enigmáticos não se enquadram perfeitamente nas teorias existentes que descrevem como se formam as estrelas ou os planetas flutuantes. Tal como acontece com todas as novas formas de ver, o JWST inspira muito mais perguntas do que respostas.

No início deste ano, pesquisadores quânticos anunciaram que deram um passo em direção ao desenvolvimento um computador quântico mais confiável. Neste sistema, as informações são armazenadas topologicamente; está entrelaçado em partículas quase míticas que compartilham memórias e lembram seu passado. Trançar dois desses “anyons não abelianos” armazena informações nas torções – assim, você pode medir um ou outro sem perder essas informações. Como explicou meu colega Charlie Wood: “Ao manter registros quase indestrutíveis de suas viagens através do espaço e do tempo, qualquer pessoa não-abeliana poderia oferecer a plataforma mais promissora para a construção de computadores quânticos tolerantes a erros”.

Então, em agosto, os cientistas que lidavam com a complexidade da correção quântica de erros anunciaram que haviam desenvolvido uma nova e poderosa classe de códigos isso poderia - pelo menos em teoria - ajudar com o problema minucioso dos bits quânticos frágeis e propensos a erros.

Num feito que lembra um truque de mágica, os cientistas relataram no início deste ano que haviam extraído energia do vácuo. Ou tinham? Em vez de conjurar algo do nada, os físicos conseguiram energia de teletransporte em distâncias microscópicas. O salto funcionou porque a equipe explorou as estranhas propriedades do vácuo quântico — um tipo peculiar de nada que está, na verdade, imbuído de uma espécie de energia quântica escaldante.

No início deste ano, os cientistas descobriram um novo tipo de transição de fase, semelhante à transformação de um sólido em líquido. Exceto que esta foi uma transição na estrutura da informação. Quando bits quânticos (ou qubits) estão emaranhados, medir um deles revela os estados de quaisquer outros. O emaranhamento pode se espalhar, mas a medição destrói a teia de emaranhamento – é como cortar os fios de uma cerca de arame. O que acontece quando o emaranhamento e a medição se enfrentam em uma grade de qubits emaranhados? A transição entre um estado em que o emaranhado sobrevive e outro em que ele sucumbe aos alicates de medição é o que os físicos identificaram e observaram no laboratório. “É onde as propriedades da informação — como a informação é compartilhada entre as coisas — passam por uma mudança muito abrupta”, disse Brian Skinner da Universidade Estadual de Ohio.

Quando se trata desses sistemas, utilizamos o termo “quântico” quase como se quântico e não quântico existissem em um binário. Isso não é necessariamente verdade. No esforço para quantificar a quantumidade – ou o grau em que um sistema quântico não pode ser simulado em um computador clássico – os pesquisadores revelou recentemente uma nova métrica, elevando o total de métricas conhecidas para três. Primeiro houve emaranhamento. Depois houve “mágica”. Agora, existe a “magia fermiônica”.

É um problema antigo da física: a mecânica quântica descreve o mundo de uma maneira, a teoria da gravidade de Einstein de outra, e quando as duas se juntam, você obtém um absurdo. Alguns cientistas, como Renate Loll, acreditam que a gravidade deve ser quantizada; outros, como Jonathan Oppenheim, apostaria contra essa ideia. Embora Loll tenha sido pioneiro em uma abordagem computacional para a gravidade quântica que envolve derivar a forma do espaço-tempo a partir dos primeiros princípios, Oppenheim está em busca de um “algo” fundamental ainda mais profundo que possa conectar os dois.

Mesmo assim, a gravidade quântica continua aparecendo nas soluções para paradoxos aparentemente intratáveis.

Um grupo de importantes teóricos acredita ter identificou o erro isso levou ao famoso paradoxo da informação do buraco negro de Hawking, no qual informações indestrutíveis dentro de um buraco negro são aparentemente perdidas à medida que o buraco negro evapora. O erro aparente de Hawking foi que ele (e as gerações de físicos que se seguiram) não perceberam que o tratamento “semiclássico” da gravidade, normalmente confiável, não consegue lidar com a complexidade dos estados que um buraco negro pode produzir, quebrando-se inesperadamente no buraco negro. superfície externa. O grupo desenvolveu agora uma teoria da gravidade mais sofisticada que pode lidar com a região dentro do horizonte de eventos e não viola quaisquer dados experimentais atuais.

Quando as galáxias colidem, os seus buracos negros centrais supermassivos fundem-se – um choque tão violento que abala a própria estrutura do espaço-tempo. Em junho, múltiplas colaborações internacionais anunciaram que eles tinham encontrado as ondas gravitacionais resultantes. Para fazer isso, as equipes usaram pulsares, cadáveres estelares girando rapidamente que funcionam como relógios cósmicos perfeitos. As ondas gravitacionais alteram o ritmo aparente dos pulsares, mas foram necessários 15 anos de estudo para identificar esta assinatura de eventos violentos que balançam continuamente o cosmos.

Nota do editor: Michael Moyer contribuiu para este artigo.