A mecânica quântica é famosa por suas ideias estranhas e muitas vezes absurdas. Em escalas muito pequenas, as partículas não se comportam como objetos do cotidiano. Em vez disso, eles podem existir em vários estados ao mesmo tempo, um conceito conhecido como superposição. Os físicos descrevem esse comportamento usando uma entidade matemática chamada função de onda. Porém, esse quadro é contrário ao que observamos na vida cotidiana, onde os objetos ocupam um lugar ou estado específico de cada vez. Para resolver isto, os cientistas geralmente assumem que quando um sistema quântico é medido ou interage com um observador, a sua função de onda colapsa num único resultado.
Agora, com o apoio do Instituto FQxI para Questões Fundamentais, uma equipa internacional de físicos analisou mais de perto explicações alternativas conhecidas como modelos de colapso quântico. As suas descobertas mostram que estas ideias podem ter consequências surpreendentes no comportamento do tempo, incluindo pequenos limites sobre a precisão com que pode ser medido. Um estudo publicado em Pesquisa de revisão físicatambém sugere uma maneira possível de testar esses modelos em relação à teoria quântica padrão.
“Levamos a sério a ideia de que os padrões de colapso poderiam estar relacionados com a gravidade”, diz Nicola Bartolotti, estudante de pós-graduação do Museu e Centro de Pesquisa Enrico Fermi (CREF) em Roma, Itália, que liderou o estudo. “E então fizemos uma pergunta muito específica: o que isso significa para o próprio tempo?”
Colapso espontâneo e modelos quânticos testáveis
Na década de 1980, os pesquisadores começaram a desenvolver teorias nas quais o colapso da função de onda ocorre de forma espontânea, sem necessidade de observação ou medição. Ao contrário das interpretações tradicionais da mecânica quântica, que basicamente oferecem diferentes formas de pensar sobre as mesmas equações, estes modelos de colapso fazem previsões que podem, em princípio, ser testadas experimentalmente.
“Levámos a sério a ideia de que os padrões de colapso poderiam estar relacionados com a gravidade. E depois fizemos uma pergunta muito específica: o que isto significa para o próprio tempo?” diz Nicola Bartolotti.
Bortolotti e seus colegas Catalina Curceanu, Cristian Pischichia, Laias Diosi e Simone Manti estudaram duas versões principais desses modelos. Um deles é o modelo Diosi-Penrose, que há muito propõe uma ligação entre a gravidade e o colapso da função de onda. A outra é a localização espontânea contínua. No seu novo trabalho, os investigadores quantificaram a ligação entre este segundo modelo e as flutuações no espaço-tempo causadas pela gravidade.
A pequena incerteza do tempo e os limites da precisão do relógio
A sua análise mostra que, embora estes modelos de colapso descrevam com precisão a realidade, o tempo em si não pode ser perfeitamente preciso. Em vez disso, conterá um nível extremamente baixo de incerteza intrínseca. Isso estabeleceria um limite fundamental para a precisão de qualquer relógio.
“Depois de fazer as contas, a resposta é clara e surpreendentemente reconfortante”, disse Bartolotti.
É importante notar que este efeito é demasiado pequeno para afectar qualquer tecnologia actual. Mesmo os relógios atômicos mais avançados não irão detectá-lo. “A incerteza está muitas ordens de magnitude abaixo do que podemos medir atualmente, por isso não tem implicações práticas para a cronometragem diária”, diz Kurceanu. “Nossos resultados mostram claramente que as tecnologias modernas de cronometragem não são afetadas de forma alguma”, acrescenta Piskikya.
Mecânica quântica, gravidade e a natureza do tempo
Durante décadas, os físicos tentaram unificar a mecânica quântica com a gravidade. Cada teoria funciona muito bem em seu próprio campo. A mecânica quântica descreve o comportamento das partículas em escala microscópica, enquanto a relatividade geral explica como a gravidade molda a estrutura em grande escala do universo, incluindo estrelas e galáxias. No entanto, as duas estruturas tratam o tempo de forma diferente.
“Na mecânica quântica padrão, o tempo é considerado um parâmetro externo clássico que não é afetado pelo sistema quântico que está sendo estudado”, explica Kurčanu. Em contraste, a relatividade geral descreve o tempo como algo que pode ser esticado e dobrado pela massa e pela energia.
“A incerteza está muitas ordens de grandeza abaixo do que podemos medir atualmente, por isso não tem consequências práticas para a cronometragem diária”, afirma Katalina Kurčanu.
Com base em ideias anteriores de que a mecânica quântica pode fazer parte de uma teoria mais profunda, o novo estudo aponta para possíveis conexões entre o comportamento quântico, a gravidade e a própria passagem do tempo.
Kurchanu enfatizou a importância de estudar ideias não tradicionais em física. “Não existem muitas fundações no mundo que apoiem a investigação deste tipo de questões fundamentais do universo, espaço, tempo e matéria”, diz Kurchanu. “Nosso trabalho mostra que mesmo as ideias radicais da mecânica quântica podem ser testadas com medições físicas precisas e que, de forma encorajadora, a contabilização do tempo continua sendo um dos pilares mais estáveis da física moderna.”
Este trabalho foi apoiado em parte pelo programa Consciência no Mundo Físico da FQxI. Você pode ler mais sobre as bolsas da equipe no artigo FQxI: “Podemos experimentar como é ser Quantum?” Brandon Foster.
