Pense em alguns números aleatórios. Números como 8, 12, 876, 93...Esses são números aleatórios em biologia, e esses números aparentemente simples contêm chaves para os mistérios mais profundos do universo: nós mesmos. Para ser mais específico (e menos dramático), não são os números, mas o processo através do qual os números foram produzidos têm sérias implicações. Por exemplo, pode-se fazer algumas perguntas fascinantes como Esses números são realmente aleatórios? É provável que eu encontre os mesmos números se forem solicitados números aleatórios no futuro? Como nosso cérebro produz esses números aleatórios? É provável que o cérebro tenha marcado alguns números como aleatórios? Existe um algoritmo que envolve processos aleatórios, como jogar dados, acontecendo inconscientemente no cérebro? Nossos processos de pensamento são livres? Para começar, existe livre arbítrio? Todos vocês teriam notado, com razão, que estas são questões para as quais não temos respostas satisfatórias no momento. Alguns de vocês acreditariam que a ciência acabará por descobrir as respostas corretas para essas perguntas e, até então, não há necessidade de rodeios e criar entusiasmo. A maioria de vocês pode não perceber que a ciência tem algumas respostas e algumas pistas onde um pouco mais de esforço pode responder a algumas questões profundas. No final deste post, proporei um experimento que você pode realizar em casa para testar seus processos de pensamento. Enquanto isso, vamos falar sobre alguns processos aleatórios. A aleatoriedade percebida não é aleatória Vamos procurar números aleatórios no mundo mecânico. Estes são o resultado de processos aleatórios, como o lançamento de uma moeda ou o lançamento de um dado. Existem outros fenómenos aleatórios, como o número de carros vermelhos que atravessam um trevo num dia, o número de meteoritos que entram na nossa atmosfera, etc. Depois, há a saída de (ou qualquer outra rotina da sua linguagem de computador favorita). O último certamente não é aleatório porque é o resultado de um algoritmo. O algoritmo produzirá os mesmos números se iniciar seus cálculos a partir do mesmo número “semente”. Estes são, na verdade, números pseudoaleatórios. Bom para todos os efeitos práticos, mas completamente previsível e, portanto, não exatamente aleatório. numpy.random.rand() A maior parte da aleatoriedade que vivenciamos em nossas vidas é, na verdade, pseudo-aleatoriedade, causada pela falta de informação. Vejamos o outro exemplo: o número de carros vermelhos cruzando um trevo. A pessoa que espera no trevo pode achar que o aparecimento de um carro vermelho é um processo aleatório, mas uma pessoa que tem a visão ao vivo do tráfego da região por meio de um satélite saberá quantos carros vermelhos cruzarão o trevo. O processo, que é aparentemente aleatório para um observador, é completamente determinístico para outro observador com mais informações. Esta é uma característica geral da maior parte da aleatoriedade que experimentamos em nossa vida diária. A aparente aleatoriedade se deve à falta de informação. Agora pense no lançamento de uma moeda. O resultado é novamente aparentemente aleatório. Mas você realmente acha que podemos disparar um foguete no espaço e determinar exatamente quando e onde ele pousará em Marte, mas não podemos prever o resultado do lançamento de uma moeda? Serão as leis que regem o movimento do foguete tão diferentes daquelas que determinam o movimento da moeda? Na verdade, não é o caso. As mesmas leis da física prevalecem em dois casos. A única diferença é que nos faltam informações precisas sobre a dinâmica da moeda quando ela é lançada. Não que a informação não esteja lá. Simplesmente não nos preocupamos com o esforço de recuperá-la e fingimos que a natureza tomou uma decisão aleatória para qualquer propósito com que a moeda foi lançada. Na verdade, o vídeo das primeiras frações de segundo de uma moeda lançada através de uma câmera de vídeo rápida pode decodificar a dinâmica da moeda e prever o resultado do lançamento. O mesmo se aplica ao lançamento de dados, à sua loteria favorita ou à maioria dos processos aleatórios que você possa imaginar (trocadilho intencional). Isso ocorre porque as leis da natureza que vivenciamos em nossa vida diária (para simplificar, as leis de Newton que estudamos no ensino médio) são determinísticas. Se você conhecer as condições iniciais (posições, velocidades) dos objetos de interesse e as forças que atuam sobre esses objetos, poderá determinar com precisão a dinâmica futura dos objetos. Qualquer coisa que pareça aleatória neste domínio se deve à nossa falta de acesso às informações. A informação está aí. Precisamos apenas de tecnologia melhor para registrar e processar essas informações. Os cassinos podem fechar as portas em um futuro próximo, quando nossos smartphones começarem a prever o resultado dos dados enquanto eles ainda estão sendo lançados. Isto significa que daqui a algumas décadas, o lançamento de uma moeda e o lançamento de um dado poderão não servir mais do que o ábaco hoje. Teríamos em nossos smartphones a tecnologia necessária capaz de resolver a dinâmica da moeda em uma fração de segundo e prever o resultado. Alguns instantâneos rápidos do lançamento de um dado e nossos telefones preverão o resultado do lançamento. Talvez haja pessoas criando esses aplicativos agora. Talvez haja pessoas ganhando dinheiro dessa forma agora. Mas para os mais humildes como nós, uma questão natural é como iremos jogar nos casinos no futuro? Ou iniciar partidas? Ou ganhar na loteria? E para vocês, apresento a aleatoriedade pura e crua --- mecânica quântica. Conheça a verdadeira aleatoriedade é uma teoria que trata da descrição da natureza no nível mais fundamental. Este é o nível onde lidamos com os blocos de construção da matéria e da energia, átomos, moléculas, electrões, fotões, etc. Neste nível, a natureza comporta-se de forma muito diferente de como aparece na nossa vida quotidiana, como veremos em breve. A mecânica quântica Uma moeda quântica Pense novamente no lançamento de uma moeda. Mas desta vez é uma moeda quântica, por exemplo, o spin de um elétron. Os elétrons fazem parte dos blocos de construção da matéria. Estes são os gênios que libertamos do bule mágico com a diferença de que podemos fazer mais de três desejos. Tudo ao seu redor que se move faz barulho e não é um bebê, funciona com elétrons. Os elétrons possuem uma propriedade chamada spin. A medição do spin dos elétrons é bastante fácil. Tudo o que você precisa fazer é passar o elétron perto de um ímã em forma de cunha. O campo magnético desse ímã exerce uma força sobre o elétron, e o elétron é desviado em uma ou outra direção dependendo de seu spin. Quando o experimento para medir o spin de um elétron é realizado, descobrimos que ele possui apenas dois valores possíveis. Nós os rotulamos como cara (spin-up) e cauda (spin down) e obtemos uma moeda quântica. Se você lançar agora a moeda quântica, obterá novamente uma saída aleatória, seja cara ou coroa. Mas a diferença do clássico (aquele que discutimos anteriormente) é que a indeterminação não se deve a qualquer falta de informação. Sabemos tudo o que há para saber sobre o elétron e, ainda assim, não há como prever se a medição do spin resultará em spin para cima (cabeça) ou spin para baixo (cauda). Cada evento no mundo quântico é um lançamento de dados. Isto contrasta com a moeda clássica, onde a aleatoriedade se devia à falta de informação. Este é o primeiro mistério da natureza no nível quântico. A natureza não nos permite saber quando e qual interação fundamental entre os blocos de construção da matéria e da energia ocorrerá. Cada evento que acontece neste nível é um lançamento de dados. Na verdade, este aspecto da mecânica quântica tem feito parte de um debate aceso desde o início da teoria. Muitas pessoas, incluindo Albert Einstein, não ficaram satisfeitas com a descrição indeterminística dos eventos no nível quântico. Você deve ter ouvido sua famosa frase: “ ”. Ele acreditava que a teoria estava incompleta e provavelmente faltavam algumas variáveis ocultas que restaurariam o mundo clássico, como o determinismo no mundo quântico, quando adicionadas à descrição. Deus não joga dados No entanto, inúmeras experiências nos últimos 100 anos descartaram a possibilidade destas teorias de variáveis ocultas. E a nossa melhor compreensão da natureza ao nível quântico é aquela fornecida pela mecânica quântica, que em princípio não nos permite prever o resultado do lançamento de uma moeda quântica. O ponto chave até este ponto é que, para um processo aleatório clássico, a informação está presente, mas pode não ser acessível, mas o processo quântico é inerentemente aleatório. Não há nenhuma informação faltante. Armados com esta compreensão dos processos aleatórios nos mundos clássico e quântico, estamos prontos para explorar as realmente grandes questões do mundo biológico. Primeiro, você pode perceber que o livre arbítrio ausente no mundo determinístico das leis clássicas pode ser restaurado graças ao indeterminismo no mundo quântico. A única coisa que precisamos explorar é procurar assinaturas quânticas no funcionamento do cérebro. Muitas pessoas já sugeriram isso antes, mas a tecnologia atual promete verificação experimental. Em breve poderemos ouvir notícias fantásticas de pessoas que praticam biologia quântica. Design disfarçado? Depois, há outra questão sobre a qual gostaria de falar. Considere a vida. Existem duas teorias dominantes sobre o surgimento da vida neste planeta. Ou fazemos parte de algum design inteligente, ou a vida surgiu no planeta como um acidente e, através de mutações aleatórias, evoluiu para todas as formas de vida que testemunhamos hoje (e, infelizmente, aquelas que erradicamos do planeta). A ciência naturalmente favorece a segunda visão. Mas a maioria das pessoas que defendem a visão científica não percebem que ainda existe a possibilidade do design na sua visão de mundo. Isto porque ainda temos de determinar se os processos que causam a mutação num genoma são governados por leis clássicas ou quânticas. Se as leis clássicas podem modelar satisfatoriamente essas mutações, então estas não são aleatórias. São processos determinísticos para os quais a informação, também conhecida como design, já estava presente. Se alguém tinha essa informação (O Deus Todo-Poderoso?) ou não, é uma questão separada e pode ser respondida subjetivamente. O que pode ser verificado objetivamente é que um projeto estava disponível. Esta é uma perspectiva única sobre o debate seleção natural versus design inteligente que um físico oferece. Mais pesquisas em biologia quântica e exploração de assinaturas quânticas em mutações genéticas dirão se somos parte de um projeto ou resultado de acidentes verdadeiramente aleatórios. A biologia quântica revelará se fomos projetados. Por último, desejo propor uma experiência para explorar os processos de pensamento, como prometi. Com um pouco de paciência e muita coragem, você pode facilmente fazer essa experiência em casa. Pegue um pedaço de papel e escreva alguns números aleatórios nele. Dobre o papel e coloque-o numa caixa. Deixe a caixa de lado. Agora, espere algumas semanas. Enquanto isso, não tente lembrar os números que você escreveu. Obviamente, não abra a caixa. Depois de algumas semanas, pegue outro pedaço de papel, escreva novamente alguns números aleatórios e coloque-o na mesma caixa. Novamente, espere algumas semanas e repita. Durante um longo período de tempo (digamos, um ano ou seis meses), você teria muitos papéis dobrados na caixa. Agora abra a caixa e observe todos os números aleatórios que você escreveu ao longo do tempo. Eles são todos aleatórios? Existem alguns números aleatórios favoritos? Existem padrões? Existe um projeto?

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Nature speaks linear algebra

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Este áudio é produzido no idioma original da história!

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