O cafe esfria, Edificios desmoronam, ovos quebram e estrelas fracassam em um universo que parece destinado a se degradar em um estado de monotonia uniforme conhecido como equilíbrio térmico. O astrônomo e filósofo Sir Arthur Eddington, em 1927, citou a dispersão gradual da energia como evidência de uma “seta do tempo” irreversível.
Mas, para o desconcerto de gerações de físicos, a flecha do tempo não parece seguir as leis subjacentes da física, que funcionam da mesma forma indo em frente no tempo(futuro), como no reverso(passado). Por essas leis, parece que se alguém conhecesse os caminhos de todas as partículas no universo e as virasse, a energia se acumularia ao invés de se dispersar: café morno se aqueceria espontaneamente, construções se levantariam de seus entulhos e a luz do sol voltaria o sol.
"Na física clássica, estamos lutando", disse Sandu Popescu, professor de física da Universidade de Bristol, no Reino Unido. “Se eu soubesse mais, poderia reverter o evento, juntar todas as moléculas do ovo que quebrou? Por que sou relevante? ”
Com certeza, ele disse, a flecha do tempo não é guiada pela ignorância humana. E, no entanto, desde o nascimento da termodinâmica na década de 1850, a única abordagem conhecida para calcular a propagação de energia era formular distribuições estatísticas das trajetórias desconhecidas de partículas e mostrar que, com o tempo, a ignorância espalhou as coisas.
"Finalmente, podemos entender por que uma xícara de café se equilibra em uma sala", disse Tony Short, físico quântico de Bristol. O entrelaçamento quântico se acumula entre o estado da xícara de café e o estado da sala.”
Popescu, Short e seus colegas Noah Linden e Andreas Winter relataram a descoberta na revista Physical Review E em 2009, argumentando que os objetos alcançam o equilíbrio, ou um estado de distribuição uniforme de energia, dentro de uma quantidade infinita de tempo, tornando-se mecanicamente quânticos arredores. Resultados semelhantes de Peter Reimann, da Universidade de Bielefeld, na Alemanha, apareceram vários meses antes na Physical Review Letters.
Short e um colaborador reforçaram o argumento em 2012 ao mostrar que o embaraçamento causa o equilíbrio dentro de um tempo finito. E, em trabalho que foi publicado no site de pré-impressão científica arXiv.org em fevereiro, dois grupos separados deram o próximo passo, calculando que a maioria dos sistemas físicos se equilibra rapidamente, em escalas de tempo proporcionais ao seu tamanho. "Para mostrar que isso é relevante para o nosso mundo físico real, os processos têm que estar acontecendo em escalas de tempo razoáveis", disse Short.
Se a nova linha de pesquisa estiver correta, então a história da flecha do tempo começa com a idéia da mecânica quântica de que, no fundo, a natureza é inerentemente incerta. Uma partícula elementar carece de propriedades físicas definidas e é definida apenas por probabilidades de estar em vários estados. Por exemplo, em um determinado momento, uma partícula pode ter 50% de chance de girar no sentido horário e 50% de chance de girar no sentido anti-horário. Um teorema testado experimentalmente pelo físico da Irlanda do Norte, John Bell, diz que não há um estado "verdadeiro" da partícula; as probabilidades são a única realidade que pode ser atribuída a ela.
A incerteza quântica, em seguida, dá origem ao entrelaçamento, a fonte putativa da flecha do tempo.
Quando duas partículas interagem, elas não podem mais ser descritas por suas próprias probabilidades, independentemente evolutivas, chamadas de "estados puros".
Em vez disso, elas se tornam componentes emaranhados de uma distribuição de probabilidade mais complicada que descreve as duas partículas juntas. Pode ditar, por exemplo, que as partículas giram em direções opostas.
O sistema como um todo está em estado puro, mas o estado de cada partícula individual é “misturado” com aquilo de seu conhecimento. Os dois poderiam viajar a anos-luz de distância, e o giro de cada uma permaneceria correlacionado com o da outra, uma característica que Albert Einstein descreveu como “uma ação fantasmagórica à distância”. "O entrelaçamento é, em certo sentido, a essência da mecânica quântica", ou as leis que regem as interações na escala subatômica, disse Brunner.
O fenômeno é subjacente à computação quântica, criptografia quântica e teletransporte quântico. A idéia de que o entrelaçamento poderia explicar a flecha do tempo ocorreu pela primeira vez a Seth Lloyd, há cerca de 30 anos, quando ele tinha 23 anos e estudava filosofia na Universidade de Cambridge, com um diploma de física em Harvard. Lloyd Percebeu que a incerteza quântica, e a maneira como ela se espalha à medida que as partículas se tornam cada vez mais emaranhadas, poderiam substituir a incerteza humana nas antigas provas clássicas como a verdadeira fonte da flecha do tempo.
Usando uma abordagem obscura da mecânica quântica que tratava as unidades de informação como seus blocos básicos de construção, Lloyd passou vários anos estudando a evolução das partículas em termos de embaralhamento de 1s e 0s. Ele descobriu que à medida que as partículas se envolviam cada vez mais, as informações originalmente descritas (um “1” para o sentido horário e um “0” para o sentido anti-horário, por exemplo) mudariam para descrever o sistema de partículas entrelaçadas como um todo. . Era como se as partículas gradualmente perdessem sua autonomia individual e se tornassem parceiros do estado coletivo.
Eventualmente, as correlações continham todas as informações e as partículas individuais não continham nenhuma. Nesse momento, descobriu Lloyd, as partículas chegaram a um estado de equilíbrio, e seus estados pararam de mudar, como café que tenha arrefecido à temperatura ambiente.
"O que realmente está acontecendo é que as coisas estão se tornando mais correlacionadas umas com as outras", relembra Lloyd. “A flecha do tempo é uma flecha de correlações crescentes”.
A idéia, apresentada em sua tese de doutorado de 1988, caiu em ouvidos surdos. Quando ele o enviou para uma revista, ele foi informado de que “não havia física neste artigo”. A teoria da informação quântica “era profundamente impopular” notempo, Lloyd disse, e as perguntas sobre a flecha do tempo "foram para malucos e ganhadores do Prêmio Nobel de miolo mole" ele lembra de um físico dizendo a ele. "Eu quase me tornei um motorista de taxi,"Lloyd disse.
"Quando Lloyd propôs a ideia em sua tese, o mundo não estava pronto", disse Renato Renner, diretor do Instituto de Física Teórica da ETH Zurich. “Ninguém entendeu isso. Às vezes você tem que ter a ideia no tempo certo.
Em 2009, a prova do grupo Bristol ressoou com os teóricos da informação quântica, abrindo novos usos para suas técnicas. Ele mostrou que os objetos interagem com o ambiente - como as partículas em uma xícara de café colidem com o ar, por exemplo - as informações sobre suas propriedades "vazam e ficam borradas em todo o ambiente", explicou Popescu. Essa perda de informação local faz com que o estado do café fique estagnado mesmo quando o estado puro da sala inteira continua a evoluir. Exceto por raras flutuações aleatórias, ele disse, "seu estado pára de mudar no tempo".
Consequentemente, uma xícara de café morna não aquece espontaneamente. Em princípio, à medida que o estado puro da sala evolui, o café pode repentinamente se desintegrar do ar e entrar em um estado puro. Mas lá Há tantos mais estados mistos do que os estados puros disponíveis para o café que isso praticamente nunca acontece - um teria de sobreviver ao universo para testemunhar isso. Esta improbabilidade estatística dá a seta do tempo aparência de irreversibilidade. "Essencialmente, o entrelaçamento abre um espaço muito grande para você", disse Popescu. “É como se você estivesse no parque e começasse perto do portão, longe do equilíbrio. Então você entra e você tem esse lugar enorme e você se perde nele. E você nunca mais volta para o portão ”.
Na nova história da flecha do tempo, é a perda de informação por emaranhamento quântico, ao invés de uma falta subjetiva de conhecimento humano, que impulsiona uma xícara de café em equilíbrio com a sala ao redor. A sala acaba se equilibrando com o ambiente externo, e o ambiente se move ainda mais lentamente em direção ao equilíbrio com o resto do universo.
Os gigantes da termodinâmica do século XIX viram este processo como uma dispersão gradual de energia que aumenta a entropia geral, ou desordem, do universo. Hoje, Lloyd Popescu e outros em seu campo veem a seta do tempo de maneira diferente. Na sua opinião, a informação torna-se cada vez mais difusa, mas nunca desaparece completamente. Assim, eles afirmam que embora a entropia aumente localmente, a entropia geral do universo permanece constante em zero."O universo como um todo está em estado puro", disse Lloyd. “Mas partes individuais dele, porque estão emaranhadas com o resto do universo, estão em misturas.”
Um aspecto da seta do tempo permanece sem solução. "Não há nada nestes trabalhos que explicam por que você começou no portão", disse Popescu, referindo-se à analogia do parque. "Em outras palavras, eles não explicam por que o estado inicial do universo estava longe do equilíbrio ”. Ele disse que essa é uma questão sobre a natureza do Big Bang.
Apesar do recente progresso no cálculo das escalas de tempo de equilíbrio, a nova abordagem ainda não avançou como uma ferramenta para analisar as propriedades termodinâmicas de coisas específicas, como café, o copo ou estados exóticos da materia.(Vários termodinamicistas tradicionais relataram estar apenas vagamente cientes da nova abordagem.) “O problema é encontrar os critérios pelos quais as coisas se comportam como janelas de vidro e quais coisas se comportam como um copo de chá ”, disse Renner. “Eu veria os novos documentos como um passo nessa direção, mas muito mais precisa ser feito.”
Alguns pesquisadores expressaram dúvidas de que essa abordagem abstrata da termodinâmica estará sempre à altura da tarefa de abordar a “questão fundamental de quão específicos observáveis se comportam”, como disse Lloyd. Mas o avanço conceitual e o novo formalismo matemático já está ajudando os pesquisadores a abordar questões teóricas sobre a termodinâmica, como os limites fundamentais dos computadores quânticos e até mesmo o destino final do universo.
"Temos pensado cada vez mais sobre o que podemos fazer com máquinas quânticas", disse Paul Skrzypczyk, do Instituto de Ciências Fotônicas de Barcelona. “Dado que um sistema ainda não está em equilíbrio, queremos trabalhar fora disso. Quanto trabalho útil podemos extrair? Como posso intervir para fazer algo interessante? ”
Sean Carroll, um cosmólogo teórico do Instituto de Tecnologia da Califórnia, está empregando o novo formalismo em seu mais recente trabalho sobre a flecha do tempo na cosmologia. "Estou interessado no destino a longo prazo da cosmologia tempos-espaço ”, disse Carroll, autor de“ Da Eternidade até Aqui: A Busca pela Teoria Final do Tempo ”.“ Essa é uma situação em que realmente não conhecemos todas as leis relevantes da física, então faz sentido pensar em um nível muito abstrato, e é por isso que achei útil este tratamento básico de mecânica quântica ”.
Vinte e seis anos depois que a grande ideia de Lloyd sobre a flecha do tempo caiu, ele está satisfeito por estar testemunhando sua ascensão e vem aplicando as idéias em trabalhos recentes sobre o paradoxo da informação do buraco negro. "Eu acho que agora o consenso seria que há física nisso ”, disse ele. Sem mencionar um pouco de filosofia.
Segundo os cientistas, nossa capacidade de lembrar o passado, mas não o futuro, outra manifestação historicamente confusa da flecha do tempo, também pode ser entendida como um acúmulo de correlações entre partículas que interagem. Quando você lê uma mensagem em um pedaço de papel, seu cérebro se correlaciona com ele através dos fótons que alcançam seus olhos. Só a partir desse momento você será capaz de lembrar o que a mensagem diz. Como Lloyd disse: "O presente pode ser definido pelo processo de se tornar correlacionado com o nosso entorno." O pano de fundo para o crescimento constante do emaranhamento em todo o universo é, naturalmente, o próprio tempo. Os físicos ressaltam que apesar dos grandes avanços na compreensão de como as mudanças no tempo ocorrem, eles não fizeram progresso em descobrir a natureza do próprio tempo ou por que ele parece diferente (tanto perceptivamente quanto nas equações da mecânica quântica) do que as três dimensões do espaço. Popescu chama isso de "uma das maiores incógnitas da física."
"Podemos discutir o fato de que uma hora atrás, nossos cérebros estavam em um estado que estava correlacionado com menos coisas", disse ele. “Mas nossa percepção de que o tempo está fluindo - essa é uma questão completamente diferente. Muito provavelmente, nós precisaremos de mais uma revolução na física que nos fale sobre isso. ”
História original reimpressa com permissão da Quanta Magazine, uma divisão editorialmente independente da SimonsFoundation.org, cuja missão é melhorar a compreensão pública da ciência, cobrindo os desenvolvimentos da pesquisa e tendências da matemática e das ciências físicas e da vida.