Giovanni Barontini cria um mini-universo de átomos de rubídio para testar o tempo entrópico

O mundo quântico desafia a intuição: nas menores escalas, propriedades físicas básicas, como posição e velocidade, ficam indefinidas, e o tempo, do jeito que o entendemos, parece nem existir.

Essas estranhezas quânticas atrapalham as nossas tentativas de compreender o Universo, a natureza da existência e até a própria qualidade da consciência.

Por que o tempo fica “sem direção” na física fundamental

Uma linha de raciocínio matemático que vem da física newtoniana, da mecânica quântica e da relatividade - e, de forma mais específica, da equação de Wheeler-DeWitt - aponta que o tempo não tem uma direção embutida e talvez até desapareça no nível mais profundo.

Em contraste, a segunda lei da termodinâmica oferece uma “seta” do tempo: o Universo teria começado num estado ordenado, possivelmente como um ponto de densidade infinita, e vem ficando cada vez mais desordenado.

O mini-universo de Giovanni Barontini (Universidade de Birmingham)

Para investigar o que o tempo realmente é - e se ele constitui uma propriedade fundamental do nosso cosmos - Giovanni Barontini, físico da Universidade de Birmingham, decidiu criar um “mini-universo” do zero.

"Este estudo fornece a primeira evidência experimental controlada de que o 'tempo' pode ser definido por mudanças dentro de um sistema, em vez de como o 'relógio que faz tic-tac' externo que pensamos ser o tempo", explica Barontini.

Na tentativa de fazer o tempo surgir por conta própria, Barontini montou o seu mini-universo com aproximadamente 24.000 átomos de rubídio resfriados a bilionésimos de grau acima do zero absoluto, formando uma “pasta” atómica exótica chamada condensado de Bose-Einstein.

Conhecido também como o quinto estado da matéria, ele aparece quando as partículas são arrefecidas a temperaturas muito próximas do zero absoluto; elas perdem a individualidade e passam a agir como uma entidade única, uma espécie de “superpartícula”.

Armadilha óptica, setor “claro” e setor “escuro”

Barontini confinou essa substância incomum numa armadilha óptica de dipolo, que a dividiu em dois setores por meio de uma barreira criada pelo cruzamento de dois feixes de laser com frequências diferentes.

Com isso, formou-se um setor “claro”, que foi observado, e um setor “escuro”, que permaneceu sem observação - e, assim, uma noção de tempo pôde emergir à medida que os átomos iam e voltavam entre as duas regiões.

Barontini compara esses setores às partes não observadas do nosso Universo real: matéria escura e energia escura.

Em outras palavras, o vai-e-vem dos átomos passou a funcionar como o relógio, oferecendo uma sensação de tempo baseada na ação da entropia, e não nos ponteiros de um instrumento convencional.

"No experimento, a parte observada do sistema troca átomos e entropia com a parte não observada. A partir dessa troca de entropia, definimos um tempo interno, 'entrópico'", disse Barontini ao ScienceAlert.

"Esse tempo aumenta quando a entropia é trocada, e ele para quando a troca de entropia para."

Tempo entrópico e ciclos de expansão e colapso

A oscilação dos átomos através da barreira aconteceu de forma ritmada, como ciclos repetidos de uma Grande Explosão que expande o universo, seguida por um Grande Colapso que o faz ruir - algo semelhante a uma hipótese já existente segundo a qual viveríamos num Universo que se repete em ciclos sem fim.

Como resultado, uma percepção de tempo emergiu naturalmente dessa sequência, porque o fluxo de entropia tem direção, e essa ordenação baseada na entropia não anda para trás.

"Uma maneira simplificada de dizer isso é: o mini-universo não precisa de um parâmetro externo para ordenar os eventos; o seu próprio fluxo de entropia indica qual evento vem a seguir", afirmou Barontini.

Um laboratório para Big Bang, buracos negros e gravidade quântica

Mini-universos desse tipo são um campo de testes valioso para a física, já que sistemas de átomos frios podem ser projetados com precisão para explorar algumas das mecânicas mais misteriosas do Universo.

Para investigar questões sobre a Grande Explosão ou um possível Grande Colapso, "Podemos mudar o formato da armadilha, a altura da barreira, as interações entre os átomos, o perfil de densidade e o acoplamento entre diferentes regiões do sistema", disse Barontini ao ScienceAlert.

"Por exemplo, alguém poderia perguntar se um colapso aparente se comporta como uma singularidade ou, em vez disso, se transforma num rebote."

De forma semelhante, também é possível aproximar as fronteiras de buracos negros ao prender átomos num dos lados do mini-universo.

A Grande Explosão e os buracos negros, por si só, foram descobertas surpreendentes. Então, quem arrisca dizer que tipo de esclarecimento pode surgir ao mexer em universos em miniatura com uma “vara” quântica?

Ao criar um sistema quântico controlado para testar quantitativamente algumas dessas perguntas matemáticas e físicas, os físicos também conseguem cutucar os aspetos desconcertantes da gravidade quântica, na esperança de alcançar o sonho “impossível” de unificar a relatividade geral e a mecânica quântica.

Portanto, este trabalho "oferece novos insights sobre a natureza do tempo na gravidade quântica que poderiam ser usados para descrever a dinâmica com a mesma eficácia do tempo convencional", conclui Barontini.

Esta pesquisa foi publicada na revista Physical Review Research.