As impressoras 3D quânticas criarão universos inteiros um dia?

The Science of Can and Can’t, um livro publicado recentemente pela física teórica de Oxford, Chiara Marletto, discute o conceito de Construtor Universal, perguntamos a ela se esse poderia ser o futuro da impressão 3D.

 Davide Sher 6 de julho de 2021

Como analistas da indústria de manufatura aditiva, nos esforçamos para prever as tendências evolutivas das tecnologias de impressão 3D em um período de tempo que se estende por cinco ou dez anos. Como jornalistas, às vezes nos aventuramos mais longe no futuro, tentando imaginar o que acontecerá em cinquenta ou cem anos, e, se olhássemos para além disso, sem um limite de tempo predefinido? Então, precisaríamos falar com um cientista para entender o que pode e o que não pode acontecer. E foi o que fizemos quando tivemos a oportunidade única de entrevistar Chiara Marletto , Pesquisadora do Departamento de Física da Universidade de Oxford.

A professora Marletto é uma física teórica e seus estudos se concentram em Teoria Quântica da Computação, Teoria da Informação, Termodinâmica, Física da Matéria Condensada e Biologia Quântica. Ela acaba de publicar um livro intitulado The Science of Can and Can’t , que é baseado em sua pesquisa recente aproveitando uma generalização recentemente proposta da teoria quântica da informação – Teoria do Construtor – para abordar questões nas bases da teoria de controle e causalidade em física.

No livro, ela também explora o conceito do Construtor Universal, que pode representar a evolução definitiva das impressoras 3D atuais. “Não é a parte principal do livro – diz o professor Marletto – no entanto, é o princípio inspirador para a Ciência dos contrafactuais – Ciência do Pode e do Não Pode – que é comumente referida como ‘ Teoria do Construtor ‘, que é a teoria do construtor universal.”

Mas o que exatamente é um Construtor Universal? E como isso se relaciona com as impressoras 3D de hoje? Uma possibilidade que vem à mente é algo como o “replicador” descrito na série fictícia Star Trek, que é uma máquina que monta objetos em um nível atômico. De certa forma, é. O Construtor Universal foi proposto como modelo teórico pelo físico e matemático John von Neumann na década de 1950 para generalizar a ideia da máquina de Turing universal, ou seja, o computador universal. “Um computador universal é uma máquina que pode ser programada para realizar qualquer computação fisicamente possível – explica Marletto – o Construtor Universal, por outro lado, é uma máquina que pode realizar qualquer transformação – não apenas cálculos – que seja fisicamente permitido. Em particular, von Neumann o idealizou para emular o comportamento das células,

Um elemento que o Construtor Universal compartilha com as impressoras 3D – que também é uma das características definidoras do Construtor Universal – é que ele poderia fazer uma réplica de si mesmo, algo que inspirou o movimento de impressão 3D RepRap inicial e continua a definir as impressoras 3D mesmo nos níveis industriais mais elevados: a capacidade de fabricar peças para novas impressoras.

Outro conceito chave é que o Construtor Universal requer não apenas energia e / ou matéria-prima, mas também conhecimento, que – explicou o professor Marletto – é um tipo particular de informação contida em um programa de software, que deve ser fornecida como entrada para a máquina de computação universal e também ao Construtor Universal para que possam realizar os cálculos desejados. A próxima pergunta é: se tivéssemos o suficiente de todos esses elementos (energia / materiais e conhecimento), poderíamos fazer uma impressora 3D que pode fazer qualquer coisa?

“Atualmente não temos uma teoria completa do Construtor Universal”, diz o professor Marletto, “portanto, sua pergunta não tem uma resposta precisa. Muito depende dos recursos disponíveis no universo e de outros aspectos de nossas leis físicas. No entanto, podemos dizer que não existe nenhuma lei física que impeça a criação em um Construtor Universal. ” Em outras palavras, as leis da física como as entendemos hoje permitem a criação de uma máquina que pode produzir qualquer coisa: o fato de que fazer isso é incrivelmente complexo com nossas capacidades tecnológicas atuais não significa que seja impossível como seria, pois por exemplo, para criar máquinas de movimento perpétuo, que são impedidas pelo princípio de conservação de energia.

“Por exemplo – acrescenta o professor Marletto – a teoria da termodinâmica nos diz que não há limite para a construção de motores térmicos arbitrariamente precisos e gostaríamos de gerar essa previsão também para o construtor universal. Gostaríamos muito de ter, quando a teoria do Construtor estiver concluída, uma série de princípios físicos que indiquem se é possível ter um Construtor Universal, e também quais são as transformações que estão em seu repertório. ”

Embora não saibamos se as impressoras 3D podem evoluir para construtores universais, não há nada na física que diga que não. De qualquer forma, pode ser possível imaginar um processo evolutivo que nos leva das primeiras impressoras 3D de hoje a uma máquina que pode construir qualquer coisa. O professor Marletto concorda: “A realização final de um Construtor Universal exigirá a criação de construtores imperfeitos, que não são universais, mas têm a capacidade de construir construtores aproximados que funcionam um pouco melhor do que a geração anterior. Esse mecanismo – de como organismos que se replicam de maneira imperfeita podem criar uma versão melhor de vez em quando, que então assume o controle – já está descrito na teoria da seleção natural de Charles Darwin. Um mecanismo semelhante ocorre no contexto da evolução tecnológica dentro de nossa civilização, que prossegue gradualmente. Pense na evolução das máquinas de computação a partir da proposta teórica de Turing.

https://youtu.be/iBTV6_fgmMc

O fato de que as formas mais otimizadas produzidas por impressoras 3D frequentemente replicam “formas naturais”, como treliças e fractais, pode ser outro elemento-chave que indica que elas irão evoluir: não apenas replicam formas naturais, mas também podem, eventualmente, replicar processos naturais, como auto-reprodução e seleção natural. As impressoras 3D de hoje estão evoluindo em termos de tamanho e velocidade, mas também em termos de precisão. À medida que as resoluções se tornam cada vez mais precisas, a montagem da matéria na escala mais básica não pode escapar das complexidades da mecânica quântica. Embora a maioria das impressoras 3D hoje funcione com voxels de 10 a 100 mícrons, algumas já podem ir para a escala nanométrica. E os efeitos quânticos já podem entrar em ação.

“Os efeitos quânticos espontâneos geralmente estão confinados à escala atômica ou subatômica”, ressalta o professor Marletto. “No entanto, existem tecnologias que nos permitem induzir efeitos quânticos em escalas mesoscópicas. Por exemplo, considere as expressões de interferometria relativas a moléculas complexas como os fulerenos. Não há limites estabelecidos pela teoria quântica em relação à escala em que os efeitos quânticos podem ser usados ​​para melhorar a eficiência de um processo físico clássico. Pense, por exemplo, no caso da biologia quântica – onde se estuda a possibilidade de que os seres vivos usem efeitos quânticos para funcionar com mais eficiência. Certamente é possível imaginar maneiras de usar efeitos quânticos também dentro do Construtor Universal. ”

https://youtu.be/FarXx3IVgws

Antes mesmo de entrar nos efeitos quânticos, as impressoras 3D precisam lidar com a física na escala macroscópica e suas limitações o tempo todo. Por exemplo, em termos de gerenciamento de calor, movimentos mecânicos, na física de pós e líquidos ou na física de fontes de energia como lasers e radiação infravermelha. A Teoria do Construtor e a Ciência do Pode e do Não Pode fornecer uma estrutura prática para lidar com alguns desses desafios também?

O professor Marletto pensa assim. “As leis da teoria do construtor são, como todas as leis da física básica, universais – ela confirma. “Portanto, eles se aplicam a sistemas elementares, como partículas, e também a agregados de partículas elementares que estão se tornando cada vez mais complexos – portanto, também a objetos como computadores ou organismos vivos.” Lendo o livro do Professor, fica-se com a impressão de que a Teoria do Construtor poderia ajudar a ampliar os horizontes de criatividade e inovação, particularmente em um segmento industrial rico em inovação e em rápida evolução, como a manufatura aditiva, que continua a cruzar fronteiras.

Outro aspecto prático a ser considerado à medida que a impressão 3D continua a avançar é a simulação (e monitoramento) do processo. As impressoras 3D industriais produzem enormes quantidades de dados digitais que precisam ser controlados por computadores cada vez mais poderosos. O professor Marletto concorda que esta pode ser uma tarefa ideal para os computadores quânticos universais de amanhã. “A tecnologia do Construtor Universal – quando implementada – fará uso de um computador universal quântico para gerenciar os dados e realizar os cálculos necessários para o funcionamento do construtor”, explica ela.

Ter a oportunidade de discutir a evolução da tecnologia de impressão 3D em termos de física teórica foi realmente inspirador. Embora certamente estejamos ainda no início da evolução da impressão 3D, e ainda longe de um entendimento completo da Teoria do Construtor, parece claro que existem muitos elementos comuns a serem explorados. Como a 3dpbm está trabalhando ativamente com Sarah Goerke na Women in 3D Printing para favorecer a inclusão e a igualdade de gênero na indústria de AM, devo dizer que também foi revigorante falar sobre esses tópicos com uma cientista brilhante, em um mundo de física teórica que também é geralmente dominado por homens.

“Acho que é sobre a mudança dos tempos”, conclui o professor Marletto. “Na minha opinião, as escolhas de trabalho e estudo (tanto para homens como para mulheres) são em grande parte determinadas pela cultura e sociedade em que vivemos. Espero que com a evolução (espero que melhor) dos nossos trajes haja uma evolução das escolhas que vão andar de mãos dadas. Veremos aonde isso nos levará. Eu sou confiante.”

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