'Universo em miniatura' revela nova forma de medir o tempo sem relógio

Um físico da Universidade de Birmingham, no Reino Unido, criou um universo em miniatura com cerca de 24 mil átomos ultrafrios. O experimento demonstrou que é possível medir a passagem do tempo a partir de mudanças internas de um sistema quântico, sem depender de um relógio externo.

O sistema passou por ciclos de expansão e contração, semelhantes, de forma simplificada, ao Big Bang e ao hipotético Big Crunch, cenário em que a expansão do universo seria revertida.

Os resultados, publicados na revista científica Physical Review Research, oferecem uma maneira experimental de investigar uma questão da física teórica: o tempo é uma propriedade fundamental do universo ou pode surgir das mudanças que ocorrem dentro dele?

Como os cientistas criaram um universo em miniatura?

Para realizar o experimento, Giovanni Barontini, professor da Universidade de Birmingham, utilizou aproximadamente 24 mil átomos, resfriados a temperaturas de apenas alguns bilionésimos de grau acima do zero absoluto.

Nessas condições, os efeitos quânticos tornam-se especialmente relevantes, permitindo observar comportamentos difíceis de estudar em temperaturas mais elevadas.

Os átomos foram confinados em um sistema quântico projetado para permanecer isolado do ambiente externo. Dois feixes de laser, operando em frequências diferentes, criaram uma barreira que dividiu o sistema em duas regiões: uma observada, chamada de brilhante, e outra não observada, denominada escura.

Embora o sistema estivesse isolado do exterior, os átomos podiam se deslocar entre essas regiões. Durante o experimento, a região brilhante apresentou ciclos repetidos de expansão e contração.

Esses movimentos funcionaram como representações simplificadas de processos cosmológicos. A expansão foi comparada ao Big Bang, enquanto a contração foi associada ao Big Crunch.

Entretanto, o experimento não reproduziu a origem ou o possível colapso do universo real. O objetivo era estudar a evolução de um sistema quântico sem utilizar uma referência externa de tempo.

Como o tempo surgiu sem um relógio externo?

O pesquisador utilizou a entropia, uma grandeza física relacionada à distribuição de partículas e energia, para acompanhar a evolução do sistema.

Em vez de medir segundos ou minutos, Barontini observou mudanças na distribuição dos átomos entre as regiões brilhante e escura. Essas alterações permitiram estabelecer uma medida interna da passagem do tempo, denominada tempo entrópico.

Quando a distribuição das partículas mudava, essa medida avançava. Quando permanecia inalterada, a progressão do tempo entrópico cessava. Isso não significa que o tempo parava no laboratório. Apenas que a medida interna deixava de registrar evolução na ausência das mudanças consideradas.

O experimento também mostrou que o tempo entrópico apresentava uma direção definida, permitindo distinguir a sequência dos acontecimentos. Além disso, sua velocidade de progressão variava conforme as mudanças de entropia.

Por que a física questiona a natureza do tempo?

Na experiência cotidiana, o tempo parece avançar continuamente, do passado para o futuro. Entretanto, algumas formulações da física teórica sugerem que o tempo pode não existir como uma variável independente em sua descrição mais fundamental.

Um exemplo é a equação de Wheeler-DeWitt, utilizada em tentativas de conciliar a mecânica quântica com a gravidade. Nessa abordagem, o universo pode ser descrito por um estado quântico sem uma referência temporal externa.

Isso cria um problema: se não existe um relógio externo ao universo, como descrever a ordem dos acontecimentos? Uma das hipóteses é que o tempo possa ser definido pelas relações e mudanças entre diferentes partes de um sistema.

O experimento de Birmingham investigou essa possibilidade em condições controladas.

O que o experimento revelou sobre a física quântica?

Além de estabelecer uma sequência de eventos, Barontini demonstrou que o tempo entrópico poderia ser utilizado para descrever matematicamente a evolução do sistema.

O pesquisador expressou uma versão da equação de Schrödinger, fundamental para a mecânica quântica, utilizando essa medida interna de tempo. A equação descreve como o estado quântico de um sistema evolui, incluindo as probabilidades associadas às partículas.

O resultado indica que uma medida de tempo baseada em mudanças internas pode desempenhar uma função semelhante à do tempo convencional na descrição desse sistema.

Segundo Barontini, a pesquisa fornece evidências experimentais controladas de que o tempo pode ser definido por transformações internas, sem depender exclusivamente de um relógio externo.

O estudo pode ajudar a explicar o Big Bang?

Os resultados oferecem uma nova abordagem para investigar questões relacionadas à gravidade quântica e à cosmologia. Essas áreas buscam compreender fenômenos nos quais os efeitos quânticos e gravitacionais precisam ser considerados conjuntamente.

O sistema desenvolvido em laboratório pode servir como modelo para estudar aspectos simplificados da expansão e contração do universo.

Experimentos futuros poderão explorar sistemas quânticos mais complexos e investigar possíveis aplicações em modelos cosmológicos e de buracos negros. Entretanto, a pesquisa não demonstra que o tempo é uma ilusão nem comprova que o universo não possui um tempo fundamental.