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A imagem de um universo composto por uma bolha microscópica. O novo estudo criou um análogo de “miniuniverso” a partir de uma nuvem de átomos no zero absoluto frio e, em seguida, modelou como o tempo evoluiu a partir do sistema em miniatura. | Crédito: Pobytov via Getty Images
Pela primeira vez, um físico viu experimentalmente o tempo emergir de um sistema quântico isolado – criando um “miniuniverso”. Esta estranha experiência levanta uma questão intrigante: se não há nada fora do universo, de onde vem o tempo?
em um novo Estudar Publicado em 11 de junho na revista Estudos de revisão física, Giovanni BarontiniUm físico experimental da Universidade de Birmingham, no Reino Unido, usou uma nuvem de átomos ultrafrios para criar seu miniuniverso. O sistema estava tão isolado do seu entorno que, como o próprio universo, não havia nada externo para usar como relógio. Ele dividiu esse sistema em dois e ignorou uma metade – o que chamou de “setor escuro” – para mostrar que o tempo poderia surgir inteiramente de dentro do sistema.
O resultado fornece a primeira visão experimental de por que o universo tem tempo. “Quando você junta tudo, as coisas realmente começam a fazer sentido”, disse Barontini ao WordsSideKick.com. “Como o tempo dentro do sistema estava acelerando ou desacelerando, ou até parando – foi incrível como tudo correu bem. Muito bem, de certa forma. O que não acontece com muita frequência em experimentos.”
O trabalho é uma verificação experimental de ideias que circulam na cosmologia quântica e na termodinâmica há décadas. Esta afirmação não é uma bomba O tempo é uma ilusãoMas esta é a primeira vez que alguém submete estas ideias a um teste quantitativo direto em laboratório.
Um universo além do qual não há nada
Barontini decidiu analisar um problema que intriga os físicos há quase 60 anos. A equação de Wheeler-DeWitt – uma equação central na gravidade quântica, o campo que busca unificar a teoria da gravidade de Einstein com a mecânica quântica – descreve o universo como um sistema completo sem parâmetros externos de tempo. Não há relógio cósmico fora do universo. Então de onde vem a nossa experiência do tempo?
Um conceito influente denominado tempo relacional afirma que o tempo não existe como elemento fundamental da realidade. Em vez disso, surge de relações dentro do universo, com uma parte do sistema agindo como um relógio para outra. Mas esta ideia não foi testada diretamente em laboratório.
A inspiração de Barontini veio de ver seu filho brincando de fazer brinquedos. “Achei que era muito semelhante ao que fazemos em nossos laboratórios”, disse ele ao WordsSideKick.com. “Brincamos com brinquedos muito caros. Criamos nossa própria pequena amostra da realidade.”
Aquela amostra em seu laboratório é um Condensado de Bose-Einstein – Um estado da matéria que existe apenas perto do zero absoluto. Num condensado de Bose-Einstein, milhares de átomos diminuem a velocidade até quase pararem e comportam-se como um só, fundindo-se num único objecto quântico.
A Universidade de Birmingham fez experiências com a captura e resfriamento de átomos de rubídio perto do zero absoluto – o primeiro passo na montagem de minimundos. | Crédito: Universidade de Birmingham
O lado negro do tempo
Para simular um universo sem nada fora dele, Barontini colocou o condensado em uma armadilha e dividiu-o ao meio com uma fina camada de luz laser. Ele viu uma metade, o “setor claro”, e ignorou deliberadamente a outra metade, que chamou de “setor escuro”.
Os átomos no setor brilhante balançavam para frente e para trás entre as armadilhas, espalhando-se alternadamente sobre a barreira e voltando. Barontini chamou os momentos em que os átomos inundaram o setor brilhante de “Big Bang” e os momentos em que eles “Big Crunch” (apelido para a teoria). Como o universo terminará?o universo entra em colapso sobre si mesmo). Em seguida, ele rastreou como a entropia – uma medida de desordem, ou como a energia é dispersa dentro de um sistema – era trocada entre as duas partes à medida que os átomos cruzavam a barreira.
Em vez de usar o tempo de laboratório para ordenar eventos, ele criou um “tempo entrópico” – um relógio definido inteiramente pela quantidade de entropia que fluía entre duas partes do sistema. À medida que a entropia fluía, o tempo passava. Se nenhuma entropia for trocada, o tempo para. “A troca de entropia entre dois sistemas pode ser convertida em uma variável de tempo interna”, disse Barontini.
O tempo acelera, desacelera e para
O que mais surpreendeu Barontini foi como tudo se encaixou perfeitamente. O tempo entrópico interno ordena de forma confiável os eventos no setor brilhante. Corresponde à sequência vista no laboratório, mas flui em uma taxa diferente.
Enquanto a entropia inundava o setor, o tempo entrópico corria mais rápido. Quando a troca era lenta, o relógio também. E quando as duas metades atingiram o equilíbrio (não há mais fluxo de entropia), o relógio interno parou completamente.
Tanto o tempo quanto a flecha do tempo — talvez nascido da ignorância.
Giovanni Barontini, físico experimental da Universidade de Birmingham
“O tempo estava acelerando ou desacelerando, ou até parando, dependendo do que o sistema estava fazendo”, disse Barontini.
Ele então deu um passo adiante: usando esse tempo interno, ele derivou uma versão dele Equação de Schrödinger E experimentos mostraram que ele reproduzia exatamente o que via. “Foi bastante surpreendente como tudo funcionou bem”, disse ele – “muito bem, de certa forma, o que não acontece com frequência em experimentos”.
Tanto o próprio tempo como a flecha do tempo – a razão pela qual o tempo flui numa direção e não na outra – podem provir da mesma fonte: um observador que fornece informações. Quando Barontini optou por não olhar para o setor negro, abriu mão do conhecimento de metade do sistema. Esse ato de ignorância codificado na entropia deu origem à outra metade.
“Tanto o tempo quanto a flecha do tempo – talvez eles tenham nascido da ignorância”, disse Barontini. “Para ter tempo e observar, é preciso abrir mão de algum grau de liberdade.”
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Barontini vê isso apenas como o começo. O mesmo kit de ferramentas de átomos frios que produziu uma mini-explosão e o Big Crunch na sua armadilha poderia, em princípio, ser concebido para simular análogos de buracos negros, as condições do universo primitivo e fenómenos mais exóticos como o que aconteceria no momento do Big Crunch.
“Essas são coisas que podemos fazer de forma muito simples, usando as ferramentas que já temos para projetar nossos sistemas”, disse ele.
O estudo é uma prova de conceito – uma primeira demonstração de que sistemas quânticos controlados podem servir como banco de testes para alguém Perguntas não respondidas em física. Por enquanto, essas questões permanecem em aberto.
