Por Jaime Trosper
Publicado na From Quarks to Quasars
Coisas que sabemos com certeza em um mundo de incertezas
Nós nascemos quando um espermatozoide fertiliza um óvulo. Crescemos no ventre de nossa mãe. Nós abrimos nossos olhos pela primeira vez. Nós vemos cor, ouvimos música, criamos memórias, aprendemos a importância do amor e da perda e, eventualmente, nós morremos (esperamos que depois de uma vida muito longa). Isso é tão certo quando o nascer do Sol no leste e seu poente no oeste, assim como as montanhas vagarosamente se elevam e se desfazem e as estações vêm e vão. Porém, nós não sabemos por que as coisas não acontecem na ordem reversa. Imagine isso: em um Universo que segue as leis da física em relação ao tempo, seu corpo (ou pelo menos as células que compõe o seu corpo), iria se decompor no solo antes de você sair do ventre da sua mãe.
Eu sei, eu sei. Alguns de vocês devem estar pensando “Como isso faz sentido?” Bem, aqui vai algo assombroso para você. Nós não sabemos por que não acontece desse jeito em princípio. Veja: o próprio tempo é um completo mistério (a maior parte). Temos alguma certeza que ele exista (embora muito cosmologistas pensem que o tempo pode ser uma adição desnecessária para o continuum espaço-tempo). Sabemos também que muitos de seus aspectos aparentemente contradizem suas próprias leis da física.
Nossos problemas podem ser encontrados por todo o caminho de volta ao início de tudo – quando um pequeno, mas infinitamente denso, ponto em um mar de nada ricocheteou antes de “explodir” o conjunto do espaço-tempo (entre várias outras coisas) para a existência. A palavra espaço-tempo é muito importante, note isso. Isso alude ao fato que o espaço e o tempo não são meras entidades separadas, mas entrelaçadas. Elas se reúnem para compor as quatro dimensões conhecidas (três espaciais e uma temporal).
O grande problema com o tempo e o centro do big bang gira em torno de algo encontrado na segunda lei da termodinâmica, chamado entropia. “Entropia”, simplesmente, mede a quantidade de ordem e desordem de um sistema física (o próprio Universo pode ser considerado um sistema aberto – seu nível de entropia pode ser alterado). A melhor forma de visualizar isso é imaginar um ovo. O próprio ovo é um sistema. Quando inteiro, o ovo é um sistema altamente ordenado, mas quando você o quebra e mistura suas entranhas, o ovo evolui de um sistema de baixa entropia para um sistema de alta entropia. Durante todo o processo de mexer o ovo, a informação é perdida.
Referente a voltar ao nascimento do Universo. Perto do big bang, o equivalente ao Universo era originalmente uma densa, quase perfeitamente homogênea nuvem de gás (quase a entropia máxima). A medida que o tempo pressionou, a formação uniforme de gás começou a ser atraída pela gravidade, formando o material se encontrasse, aglutinasse e colapsasse para formar estrelas e (mais tarde) galáxias. Isso leva a uma diminuição do nível de entropia.
Introduzindo o emaranhamento quântico
Não muito tempo atrás, físicos anunciaram que um novo conhecimento na antiga teoria quântica poderia finalmente nos dar algumas respostas muito necessárias, uma delas é muito mais simplista do que qualquer das suas antecessoras. Eles sugerem que a percepção da seta do tempo é resultado do emaranhamento quântico. Mais conhecido como “ação fantasmagórica a distância”. Einstein deu esse nome porque seus efeitos são inexplicáveis. Não importa a distância que separa duas partículas entrelaçadas, ambas parecem saber exatamente o que acontece com seu parceiro, incluindo seus estado quântico (isso claramente viola o princípio da relatividade geral, que diz que nada – nem mesmo sinais ou informação – pode ser capaz de exceder o limite da viagem na velocidade da luz, ainda que isso seja exatamente o que eles parecem ser capazes de fazer).
Como isso interage com a seta do tempo? Bem, de acordo com o físico quântico Tony Short: se nós pegamos, diz; uma xícara de café quente, ela pode equilibrar (“equilibrar”, neste contexto, refere-se a uma xícara de líquido quente atingindo distribuição de energia máxima dentro de um intervalo de tempo viável) numa sala porque o emaranhamento quântico permite que o estado da xícara de café corresponda ao estado da sala, com ambas se tornando conectadas microscopicamente. Esse mesmo princípio é responsável pela dispersão de energia em vez de recolher.
A ideia foi desenvolvida há muitos anos, mas não teve destaque até 2009. Desde então, muitas diferentes equipes têm publicado trabalhos que construíram sobre o fundamento geral da teoria. Agora, não um, mas dois diferentes grupos de pesquisa tem publicado trabalhos que indicam claramente que seus trabalhos mostram que o período de tempo dos objetos em equilíbrio é diretamente proporcional ao seu tamanho.
Por Nocolas Brunner – um dos pesquisadores, que vem da Universidade de Genebra – o mecanismo que permite uma xícara de café (ou inversamente, uma xícara com água congelada) atingir o equilíbrio é “muito intuitivo… mas quando se trata de explicar por que isso acontece, essa é a primeira vez que isso deriva de bases sólidas, considerando uma teoria microscópica”.
O que eles postulam essencialmente muda o emaranhamento de um fenômeno que lida exclusivamente com o mundo quântico, para um que seja abrangente. Isso poderia indicar também que o próprio Universo é uma grande bola de incerteza. Porque, por natureza, partículas subatômicas são abastecidas por incertezas. Talvez os dois princípios mais instrumentais que mostram isso são a dualidade partícula/onda – onde os fótons tem propriedades de ambas as partículas e ondas – e o princípio da incerteza, que diz que ambos o momentum e a posição da partícula não podem ser conhecidas ao mesmo tempo; somente uma ou outra pode ser conhecida com precisão.
Acima de tudo, temos o Teorema de Bell. Ele tem variações de princípios que são fundamentais no entendimento da mecânica quântica – tanto que muitos tem ido mais longe, o chamando de descoberta mais importante de todos os tempos na história da ciência – mas ele essencialmente nos diz que em vez de ter propriedades distintas, descritíveis, as próprias partículas não são nada mais do que as probabilidades atribuídas a elas.
Informação como blocos construtores
As conclusões subjacentes são surpreendentes, isto é, por causa da validação que emprestaria para o campo da teoria da informação quântica, que basicamente trata as informações como blocos de construção chave em seu próprio direito. Ele diz que quando as partículas interagem com seu ambiente. Elas deixam informação chave sobre elas (e sobre seu estado quântico) nele (parecido com respingos de sangue ou DNA numa cena de crime).
“A perda de informação local causa o estado do café estagnado mesmo que o estado puro da sala inteira continue evoluindo. Com exceção de raras flutuações aleatórias” diz Short, “seus estados param de mudar com o tempo”.
O princípio acima explica porque o café esfria, ao invés de aquecer espontaneamente. Isso, no entanto, deixa espaço para a incerteza que estávamos falando antes. Em teoria, é possível que como o estado puro da sala evolua dentro de um intervalo finito de tempo, as partículas no café e na sala poderiam “desmisturar” que poderia resultar no líquido tendo seu próprio estado puro.
A probabilidade disso nunca acontecer é tão diminuta que seria preciso sobreviver no Universo por uma margem enorme de tempo (mesmo assim você pede nunca vê-lo pelo resto da eternidade). Isso dá a falsa impressão de que a seta do tempo é firme, quando isso pode não ser o caso (em uma área similar, outra pesquisa revelou que o emaranhamento quântico pode chegar ao passado).
“O emaranhamento quântico essencialmente abre muito espaço para você” Popescu disse. “É como você estar num parque e estar de um lado do portão, longe o equilíbrio. Então você atravessa o portão, e você tem esse lugar enorme e se perde nele. E você nunca mais volta ao portão”.
Conclusão
“O emaranhamento”, como Lloyd coloca, “é, em certo sentido, a essência da mecânica quântica”. Pode até ser a força vital do Universo se Lloyd estiver correto, e ele realmente tem um papel fundamental na mudança das coisas (como tempo e entropia). Alguns tem postulado que o emaranhamento pode até desempenhar um papel mantendo as cadeias de DNA unidas. Outros sugerem que seus efeitos podem dar origem ao próprio tecido do espaço-tempo.
Uma coisa é indiscutível porém, esse conceito tem evoluído de baboseira total para o que parece ser o mais viável o tempo todo, principalmente graças a evolução da teoria da informação quântica (sim, aquela que nos deu a computação quântica, rede quântica e criptologia quântica). Ele essencialmente trata a informação como blocos de construção isso nos mostra que dado tempo suficiente, as partículas entrelaçadas param de exibir informações sobre seu estado de forma individual, mas isso não é exatamente perdido no sentido tradicional. “Seria como se as partículas perdessem gradualmente sua autonomia individual e se tornassem peões do estado coletivo”.
Finalmente, uma vez que as partículas e a sala atingem um estado de equilíbrio e estão completamente correlacionadas, seus estados param de mudar de forma significativa. Essa aparente perda de informação – juntamente com o aumento do número de correlações quânticas – em suma, dirigem a seta do tempo (pelo menos nesse cenário). Entretanto, isso não soluciona o problema. “Não tem nada nesses trabalhos que diga o porquê você começou nesse portão”, Popescu diz, usando a analogia do parque. “Em outras palavras, eles não explicam por que o estado inicial do Universo estava longe do equilíbrio”.
Ainda, de um ponto de vista filosófico:
“Nossa capacidade de lembrar do passado mas não do futuro, outra manifestação historicamente confusa da seta do tempo, pode também ser entendida como um acúmulo de correlações entre as partículas interagindo. Quando você lê uma mensagem num pedaço de papel, seu cérebro se torna correlacionado com ele através dos fótons que atingem seus olhos. Somente a partir desse momento você se torna capaz de lembrar o que a mensagem dizia”.
Lloyd coloca de outra forma: “O presente pode ser definido pelo processo de se tornar correlacionado com nosso ambiente”. “Nós podemos discutir o fato que uma hora atrás, nosso cérebro estava em um estado que estava correlacionado com algumas coisas.”, ele continua, “Mas nossa percepção é que o tempo está fluindo – essa é uma questão completamente diferente. Muito provavelmente, vamos precisar de uma nova revolução na física que vai nos dizer sobre isso”.
Referências
- “Quantum mechanical evolution towards thermal equilibrium” (2009)
- “Extremely quick thermalization in a macroscopic quantum system for a typical nonequilibrium subspace” (2014),
- “Foundation of Statistical Mechanics under Experimentally Realistic Conditions” (2008),
- “Quantum Equilibration in Finite Time” (2012).
