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 pelo Dr. Estudos de revisão físicaO professor Giovanni Barontini mostra que é possível medir o tempo sem depender de relógios. Em vez disso, o experimento mostra que uma versão do tempo pode surgir naturalmente do comportamento de um sistema quântico.
Por que alguns físicos pensam que o tempo não pode ser fundamental
Várias teorias da física moderna sugerem que o tempo pode não existir como uma propriedade inerente ao universo. Um exemplo é a equação de Wheeler-DeWitt, que descreve o universo como um único estado quântico sem relógio externo. Nesta imagem, as partículas exibem comportamento tanto semelhante a uma onda como a uma partícula, e o fluxo familiar do tempo deve surgir da relação entre as várias partes do sistema e não de um relógio independente.
Para investigar experimentalmente esta ideia, o professor Barontini criou um “universo” quântico simplificado usando uma nuvem de 24.000 átomos ultrafrios resfriados a apenas alguns bilionésimos acima do zero absoluto. Os átomos foram selados dentro de um sistema de isolamento e separados por uma fina barreira feita de dois feixes de laser de frequências diferentes. Isto criou duas regiões: uma região observada (“brilhante”) e uma região não observada (“escura”).
Um universo em miniatura com seu próprio sentido de tempo
Dentro deste pequeno universo, a região brilhante expandiu-se e contraiu-se repetidamente, um Big Crunch semelhante a uma versão simplificada de um Big Bang, um evento hipotético no qual a expansão do Universo eventualmente se inverte.
Como o sistema estava completamente isolado, os investigadores puderam reconstruir a sequência de eventos usando apenas informações do interior do microcosmo, sem referência a quaisquer relógios de laboratório externos.
Os resultados mostram que o tempo, em vez de existir como um pano de fundo independente, pode surgir de mudanças que ocorrem dentro de um sistema quântico que sempre avança.
Como a entropia constrói o tempo
O experimento revelou que o “tempo” surgiu de mudanças na desordem, ou dispersão (entropia), à medida que os átomos se moviam entre regiões claras e escuras. Junto com esse movimento, o sistema permaneceu isolado do mundo exterior.
O sistema avança efetivamente no tempo à medida que a distribuição de partículas na região brilhante aumenta ou diminui. Quando a distribuição das partículas parou de mudar, o próprio tempo parou efetivamente.
O Professor Barontini refere-se a este conceito como “tempo entrópico”. No experimento, esta forma de tempo:
- flui em uma direção coerente, criando uma clara “flecha do tempo”.
- Ordene os eventos corretamente à medida que 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 aparece como uma característica incorporada. No entanto, na vida quotidiana, o tempo flui do passado para o futuro – porque é que isto acontece, quando a maioria das leis fundamentais da física funcionam igualmente para a frente e para trás?
“Esta pesquisa fornece a primeira evidência experimental controlada de que o ‘tempo’ pode ser definido por mudanças dentro de um sistema, em vez do ‘relógio’ externo que consideramos tempo. Ela fornece novos insights sobre a natureza do tempo gravitacional quântico que pode ser usado para descrever a dinâmica de forma tão eficaz quanto o tempo convencional. “
Experimentando a gravidade quântica em laboratório
Os pesquisadores também descobriram que uma versão da equação de Schrödinger, a equação fundamental da mecânica quântica, pode ser expressa usando o tempo entrópico. Isto significa que os cientistas ainda podem prever como a “nuvem de probabilidade” de um sistema quântico evolui ao longo do tempo, mesmo quando o tempo é definido por flutuações internas e não por relógios externos.
O trabalho aborda problemas de longa data na 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 minúsculo universo segue as leis padrão da mecânica quântica e permite que ideias sobre a natureza do tempo, que geralmente são limitadas a teorias que descrevem o universo como um todo, sejam testadas em condições controladas de laboratório.
Rumo a experiências com o Big Bang e os buracos negros
Os miniuniversos fornecem uma plataforma experimental valiosa para testar os conceitos de cosmologia quântica e gravidade quântica. Em vez de confiar apenas em modelos matemáticos, os cientistas poderão agora investigar ideias relacionadas com o universo primitivo através de experiências de laboratório.
A equipe disse que a mesma abordagem poderia eventualmente ser estendida a sistemas quânticos mais complexos, abrindo a porta para experimentos que exploram teorias concorrentes sobre a física do Big Bang, o “Big Crunch”, buracos negros simulados e como o próprio tempo surgiu.
