Você deve ter ouvido falar do enigma “O que você dá ao homem que tem tudo?” Descobri uma variação em outubro passado: como celebrar o homem que estudou (quase) tudo? O físico Edwin Thompson Jaynes impactou disciplinas desde a teoria da informação quântica até imagens biomédicas. Quase escrevi “físico teórico”, em vez de “físico”, mas um colega insistiu que Jaynes tinha talento para eletrônica e também ajudou a projetar experimentos. Jaynes trabalhou na Universidade de Washington em St. (WashU) de 1960 a 1992. Visitei a universidade pela última vez em 2018, como pós-doutorado recém-formado colaborando com o experimentalista WashU Kater Murch. Eu vasculhei o campus em busca de vestígios de Jaynes como um peregrino em busca do topete ou do úmero de um santo. A postagem do weblog “Perseguindo o fantasma de Ed Jaynes”documentos que caçam.
Encontrei o fantasma dele em outubro.
Kater e colegas organizaram o Simpósio do Centenário de Jaynes em um dia brilhante de outono, quando as árvores do campus ainda pensavam em perder as folhas. A agenda contou com pesquisadores de todas as ciências e engenharia. Descrevemos como o legado de Jaynes informou os desenvolvimentos do século 21 na teoria da informação quântica, termodinâmica, biofísica, detecção e computação. EU falou sobre termodinâmica quântica e teoria da informação – especificamente, quantidades conservadas incompatíveissobre o qual meu grupo de pesquisa membros e eu tenho blogado muitos vezes.
Irfan Siddiqi falou sobre tecnologias quânticas. Experimentista da Universidade da Califórnia, Berkeley, Irfan apareceu em Fronteiras Quânticashá sete anos. Seu laboratório é especializado em qubits supercondutoresminúsculos circuitos nos quais a corrente pode fluir para sempre, sem se dissipar. Como podemos medir um qubit supercondutor? Colocamos o qubit em uma caixa. A luz salta para frente e para trás na caixa. A luz interage com o qubit enquanto o atravessa, de acordo com o Modelo Jaynes-Cummings. Não podemos vedar nenhuma caixa perfeitamente, então alguma luz vazará. Essa luz transporta informações sobre o qubit. Podemos capturar a luz usando um fotodetector para inferir sobre o estado do qubit.
Invoice Bialek também falou sobre inferência. Mas Invoice é um biofísico de Princeton, então as moscas da fruta o preocupam mais do que os qubits. Uma mosca da fruta se metamorfoseia a partir de um verme que sai de um ovo. À medida que a larva se desenvolve, suas células se diferenciam: algumas formam uma cabeça, outras formam uma cauda e assim por diante. No entanto, todas as células contêm a mesma informação genética. Como pode surgir uma cabeça que seja diferente de uma cauda?
Uma mãe mosca-das-frutas, revelou Invoice, injeta moléculas em um ovo em determinados locais. Essas moléculas se difundem pelo ovo, desencadeando a síntese de mais moléculas. As concentrações das moléculas knock-on podem variar fortemente ao longo do ovo: as células da cabeça de uma larva contêm moléculas em certas concentrações e as células da cauda contêm as mesmas moléculas em outras concentrações.
Neste ponto da história de Invoice, eu estava pronto para tirar o chapéu aos biofísicos por responderem à pergunta acima, que reformularei aqui: se descobrirmos que uma determinada célula pertence à cauda de um verme, por que faz a célula pertence à cauda? Mas gostei ainda mais de como Invoice virou a questão de cabeça para baixo (trocadilho talvez intencional): think about que você é uma célula de verme. Como você pode saber onde você está no verme, para saber como diferenciá-lo? A natureza faz esta pergunta (em termos gerais), enquanto os observadores humanos fazem a primeira pergunta de Invoice.
Para responder à segunda pergunta, Invoice lembrou quais informações uma célula acessa. Suponha que você conheça as concentrações de quatro moléculas: , , e . Com que precisão você pode prever a localização da célula? Isto é, qual a probabilidade que a célula tem de permanecer em algum native específico, condicionada à é? Essa probabilidade é grande apenas em um native, descobriram os biofísicos empiricamente. Assim, uma célula pode inferir com precisão a sua posição a partir das concentrações das suas moléculas.
Não sou biofísico (apesar de menor evidência pelo contrário), mas gostei da história de Invoice tanto quanto gostei da de Irfan. Probabilidades, informação e inferência são noções abstratas; ainda assim, eles impactam a realidade física, desde os insetos até a ciência quântica. Essa tensão entre abstração e concretude me prendeu quando encontrei a entropia pela primeira vez, numa aula de biologia do nono ano. A tensão me atraiu para a teoria da informação e a termodinâmica. Esses kits de ferramentas permeiam a biofísica assim como permeiam minhas disciplinas. Assim, durante todo o simpósio, conversei com engenheiros, pesquisadores de escolas médicas, biofísicos, termodinamicistas e cientistas quânticos. Todos eles me pareceram o meu tipo de pessoa, apesar de nossa distribuição no cenário intelectual. Jaynes raciocinou sobre distribuições — distribuições de probabilidade — e imagino que ele teria aprovado esta. O homem que estudou quase tudo merece uma celebração que ilumine quase tudo.
