Mini-universo de 24.000 átomos revela que o tempo não precisa de um relógio — entenda como

O experimento, publicado esta semana na Physical Review Research, confronta um enigma que tem perturbado os fundamentos da física há décadas. Nas teorias de gravidade quântica, o tempo não aparece como um recurso inerente à realidade. No entanto, vivenciamos uma clara seta do passado para o futuro. A equipe de Birmingham, liderada pelo professor Giovanni Barontini, propôs-se a testar se o tempo pode surgir puramente da mudança — especificamente, da maneira como as partículas se espalham por um sistema, um conceito conhecido como tempo entrópico. A resposta, esculpida em uma dança de mil ciclos de átomos ultrafrios, é um sim cauteloso.

Forjando um miniuniverso de 24.000 átomos em um laboratório de Birmingham

O grupo de Barontini confinou os átomos de rubídio em uma armadilha óptica, resfriando-os até que o comportamento quântico dominasse. Dois feixes de laser esculpiram uma parede fina através da nuvem, criando uma região "brilhante" que os pesquisadores podiam observar diretamente e um setor "escuro" oculto à vista. O lado brilhante expandia e contraía periodicamente, imitando a cosmologia cíclica de um universo que reverte sua expansão. Como todo o sistema estava isolado do ambiente externo, a única maneira de reconstruir uma linha do tempo dos eventos era inferi-la a partir das distribuições dos átomos em seu interior.

Os pesquisadores escolheram 24.000 átomos deliberadamente. Com menos, o sinal estatístico das mudanças de entropia seria muito ruidoso. Com mais, a sobrecarga computacional tornar-se-ia incontrolável. Nessa escala, a nuvem comportava-se como um universo simplificado, grande o suficiente para exibir irreversibilidade termodinâmica, mas pequeno o bastante para ser simulado em um computador clássico. Cada ciclo durou aproximadamente um décimo de segundo, e a equipe rastreou centenas de ciclos para estabelecer que o tempo entrópico que definiram não apenas derivava — ele progredia de forma confiável e em uma direção, mesmo enquanto a região brilhante contraía.

Tempo entrópico: como o miniuniverso de 24.000 átomos gera seu próprio relógio

A ideia por trás do tempo entrópico é surpreendentemente simples: se nada muda, o tempo não passa. Os pesquisadores vincularam a passagem do tempo a mudanças na entropia de Shannon do sistema, uma medida de quão espalhados os átomos estavam. Quando as regiões brilhante e escura trocavam partículas, a entropia mudava e, de acordo com sua formulação, o tempo avançava. Quando a distribuição dos átomos se estabilizava em um estado estacionário, o tempo parava — mesmo que a função de onda quântica subjacente continuasse a evoluir de uma maneira que, sob o tempo convencional, pareceria dinâmica.

A equipe de Barontini observou que esse tempo entrópico sempre apontava para frente, mesmo durante a fase de contração que, em um cosmos real, representaria um Big Crunch. Ele nunca reverteu, embora a física subjacente fosse simétrica em relação ao tempo. “Em algumas teorias do universo, especialmente na gravidade quântica, o tempo não aparece como uma característica inerente”, disse Barontini. “No entanto, na vida cotidiana, o tempo flui do passado para o futuro. Por que isso acontece, quando a maioria das leis básicas da física funciona da mesma maneira para frente e para trás?” O experimento sugere uma resposta: a seta emerge apenas do crescimento da entropia, não de um relógio fundamental.

O ritmo do tempo entrópico, além disso, poderia acelerar ou desacelerar dependendo da rapidez com que a entropia mudava. Durante a expansão rápida, quando os átomos fluíam da região brilhante para a escura, o tempo entrópico avançava mais rápido. Durante contrações lentas, ele desacelerava. Isso não é meramente um truque filosófico. A equipe reescreveu a equação de Schrödinger — a equação central da mecânica quântica — usando o tempo entrópico como o parâmetro de evolução. Eles descobriram que a evolução da distribuição de probabilidade da nuvem atômica permanecia consistente com as previsões quânticas padrão, apenas com um parâmetro de tempo definido pela desordem em vez de um cronômetro de laboratório.

O que um miniuniverso de 24.000 átomos significa para a gravidade quântica

O trabalho abre uma janela experimental rara para ideias que, em grande parte, estavam limitadas a cálculos em lousas. As teorias de gravidade quântica frequentemente lutam com o tempo porque a relatividade geral trata o tempo como dinâmico, enquanto a mecânica quântica exige um relógio de fundo fixo. Se o tempo pode emergir da entropia em um ambiente de laboratório controlado, isso confere credibilidade a modelos nos quais a seta do tempo do universo primitivo surgiu não de um relógio primordial, mas do rápido aumento da entropia após o Big Bang.

A configuração de Barontini não é a primeira a explorar o tempo entrópico, mas está entre as primeiras a demonstrá-lo em um sistema quântico de muitos corpos que pode ser monitorado ciclo após ciclo. Propostas anteriores baseavam-se em experimentos mentais abstratos ou observações cosmológicas que não podem ser repetidas. Aqui, a equipe pôde reiniciar o sistema e observar a seta reemergir, sempre apontando para frente. “Isso oferece um novo insight sobre a natureza do tempo na gravidade quântica”, disse Barontini. “Poderia ser usado para descrever a dinâmica tão eficazmente quanto o tempo convencional.”

A plataforma também une duas comunidades que raramente interagem: experimentalistas de átomos frios e teóricos da gravidade quântica. A mesma tecnologia de armadilha óptica que impulsiona os melhores relógios atômicos agora pode ser reaproveitada para investigar a própria natureza do tempo. Não se trata de construir um relógio melhor; trata-se de questionar se os relógios são necessários.

Das lousas às bancadas de laboratório: testando o intestável

Durante décadas, as questões sobre o surgimento do tempo situaram-se diretamente no domínio da física teórica. O experimento de Birmingham mostra que, pelo menos, uma versão dessas questões é agora experimentalmente tratável. Ao ajustar a barreira de laser ou o número de átomos, os pesquisadores poderiam simular diferentes cenários cosmológicos, desde expansões aceleradas até estados finais semelhantes à morte térmica. Barontini sugeriu que a plataforma poderia eventualmente ser usada para investigar análogos de buracos negros ou para simular as condições do universo primitivo, onde efeitos quânticos e gravitacionais coexistem.

É claro que um gás de 24.000 átomos está longe de ser um universo real. O sistema não é relativístico e a gravidade não desempenha nenhum papel. O tempo entrópico definido aqui é um parâmetro efetivo, não um campo fundamental. Críticos podem argumentar que o experimento simplesmente substitui uma definição operacional de tempo por outra, sem provar que o tempo é verdadeiramente emergente. Mas a equipe de Birmingham nunca alegou ter resolvido o debate; eles demonstraram que, se você aceitar a entropia como o relógio, a mecânica quântica permanece consistente e a seta do tempo persiste. Essa é uma condição necessária — não suficiente — para que o tempo entrópico seja fisicamente significativo.

Um universo de laboratório sem um relógio mestre

A implicação mais ampla é que o tempo pode não ser tão fundamental quanto supomos. Na vida cotidiana, dependemos de relógios — fontes de césio, osciladores de quartzo, a rotação da Terra — para sincronizar eventos. Mas, no nível mais profundo, o universo pode não vir com um metrônomo integrado. A experiência de um presente que flui poderia ser uma ilusão macroscópica decorrente do aumento implacável da desordem. À medida que os átomos se embaralhavam entre as regiões brilhantes e escuras na câmara de Barontini, eles não estavam medindo o tempo; eles estavam gerando-o.

O experimento chega em um momento curioso para a física fundamental na Europa. Os estudos do Future Circular Collider do CERN competem por bilhões, enquanto laboratórios nacionais lutam para manter plataformas de átomos ultrafrios em funcionamento. O trabalho de Barontini, financiado por bolsas de pesquisa padrão do Reino Unido, custou uma fração de um grande experimento de colisor, mas toca em questões igualmente profundas. É um lembrete de que os enigmas mais profundos às vezes cabem em uma mesa óptica.

A equipe planeja investigar sistemas mais complexos, incluindo aqueles com emaranhamento, para ver se o tempo entrópico se sustenta sob a estranheza total da mecânica quântica. Se isso acontecer, a noção de um relógio universal pode lentamente retirar-se das leis da física — substituída, talvez, por nada mais do que o espalhamento irreversível dos átomos.

Por enquanto, os 24.000 átomos naquela armadilha de Birmingham fizeram algo silenciosamente notável: mostraram que um universo pode funcionar apenas com base na mudança. Nenhum relógio é necessário. Mas se esse tempo entrópico pode, em última análise, substituir o tempo convencional usado em todos os livros didáticos de física ainda é uma questão em aberto. Os átomos apresentaram seu caso. O restante cabe aos teóricos — e, como sempre, ao próximo ciclo de financiamento.

Fontes

• Physical Review Research (artigo de pesquisa sobre o tempo entrópico em um sistema quântico de 24.000 átomos)
• Materiais de imprensa da Universidade de Birmingham
• Multimídia EurekAlert (imagens da armadilha de rubídio ultrafrio)