Um físico da Universidade de Birmingham criou um “miniuniverso” de laboratório que aproxima os cientistas de responder a uma das maiores questões da física: o que é o tempo?
Em um estudo publicado em Pesquisa de revisão físicaO professor Giovanni Barontini demonstra que é possível medir o tempo sem depender de um relógio. Em vez disso, a experiência mostra que uma versão do tempo pode surgir naturalmente a partir do comportamento do próprio sistema quântico.
Por que alguns físicos acreditam que o tempo não pode ser fundamental
Algumas teorias da física moderna sugerem que o tempo pode não existir como uma característica inerente ao universo. Um exemplo é a equação de Wheeler-DeWitt, que descreve o universo como um estado quântico único sem relógios externos. Nesta imagem, as partículas exibem comportamento ondulatório e semelhante a partículas, e o fluxo familiar do tempo deve surgir da relação entre as várias partes do sistema, e não do tique-taque independente de um relógio.
Para explorar experimentalmente esta ideia, o professor Barontini criou um “universo” quântico simplificado usando uma nuvem de 24.000 átomos ultrafrios resfriados a apenas alguns bilionésimos de grau acima do zero absoluto. Os átomos foram selados dentro do sistema isolado e separados por uma fina barreira criada por dois feixes de laser de frequências diferentes. O resultado são duas regiões: uma região observada (“brilhante”) e uma região não observada (“escura”).
Um pequeno universo com seu próprio senso de tempo
Dentro deste universo em miniatura, a região brilhante expandiu-se e contraiu-se repetidamente, assemelhando-se a uma versão simplificada do Big Bang seguido pelo Big Crunch, um evento hipotético em que a expansão do universo eventualmente se inverte.
Como o sistema estava completamente isolado, os pesquisadores puderam reconstruir a sequência de eventos usando apenas informações de dentro do próprio miniuniverso, sem precisar recorrer a relógios de laboratório externos.
Os resultados mostraram que o tempo pode surgir de mudanças que ocorrem dentro de um sistema quântico, em vez de existir como um pano de fundo independente que está sempre avançando.
Como a entropia criou o tempo
O experimento mostrou que o “tempo” surgiu de mudanças na desordem, ou distribuição (entropia), dos átomos à medida que se moviam entre regiões claras e escuras. Além desse movimento, o sistema permaneceu isolado do mundo exterior.
À medida que a distribuição de partículas na região brilhante aumentava ou diminuía, o sistema realmente avançava no tempo. Quando a distribuição das partículas parou de mudar, o próprio tempo parou efetivamente.
O professor Barontini chama esse conceito de “tempo entrópico”. No experimento, a forma do tempo é:
- Flui em uma direção consistente, criando uma clara “flecha do tempo”
- Ordena eventos corretamente mesmo quando o miniuniverso se expande e contrai
- Pode acelerar ou desacelerar dependendo de como a entropia é redistribuída
O professor Barontini disse:”Em algumas teorias do universo, nomeadamente a gravidade quântica, o tempo não é uma função incorporada. No entanto, na vida quotidiana, o tempo flui do passado para o futuro – porque é que isto acontece quando a maioria das leis básicas da física funcionam igualmente para a frente e para trás?
“Este estudo fornece a primeira evidência experimental controlada de que o ‘tempo’ pode ser determinado por mudanças dentro do sistema, e não por um ‘relógio’ externo que consideramos como tempo. Ele fornece uma nova visão sobre a natureza do tempo na gravidade quântica que pode ser usada para descrever a dinâmica de forma tão eficaz quanto o tempo comum.”
Testando a gravidade quântica em laboratório
Os investigadores também descobriram que uma versão da equação de Schrödinger, a equação fundamental da mecânica quântica, pode ser expressa em termos de tempo de entropia. Isto significa que os cientistas ainda podem prever como a “nuvem de probabilidade” de um sistema quântico evoluirá ao longo do tempo, mesmo que o tempo seja determinado por mudanças internas e não por relógios externos.
O trabalho aborda um problema antigo da física. Se certas teorias estiverem corretas e o universo não tiver um relógio embutido, como os eventos podem ser colocados na ordem correta? A experiência sugere que a resposta pode estar na própria evolução interna do sistema.
O professor Barontini mostrou que o universo em miniatura obedece às leis padrão da mecânica quântica, ao mesmo tempo que permite testar ideias sobre a natureza do tempo, que geralmente são limitadas a teorias que descrevem todo o universo, sob condições controladas de laboratório.
Para experimentos sobre o Big Bang e buracos negros
O miniuniverso fornece uma plataforma experimental valiosa para testar as ideias da cosmologia quântica e da gravidade quântica. Em vez de confiar apenas em modelos matemáticos, os cientistas podem agora explorar conceitos relacionados com o universo primitivo através de experiências de laboratório.
A equipe diz que a mesma abordagem poderia eventualmente ser estendida a sistemas quânticos mais complexos, abrindo a porta para experimentos que investigam a física do Big Bang, do Big Crunch, de buracos negros simulados e de teorias concorrentes sobre como o próprio tempo se origina.
