O tempo pode avançar para frente e para trás ao mesmo tempo na mecânica quântica

O tempo pode avançar para frente e para trás ao mesmo tempo na mecânica quântica

Por Daniele Cavalcante | Editado por Patrícia Gnipper | 29 de Novembro de 2021 às 21h40
MasterTux/Pixabay

Até mesmo o tempo se comporta de maneira "estranha" no reino da mecânica quântica. É o que mostra um novo estudo publicado na revista Communications Physics, no qual os autores chegaram a essa conclusão ao aplicar a ideia dos estados de sobreposição quântica ao conceito de entropia.

Publicado por uma equipe das Universidades de Bristol, Viena, Ilhas Baleares e do Instituto de Óptica Quântica e Informação Quântica, o novo estudo propõe repensar como o fluxo do tempo é compreendido e representado em contextos das leis quânticas.

O tempo na mecânica quântica

A entropia é uma grandeza da termodinâmica que mede a evolução dos sistemas de um estado de ordem para desordem, o que é útil para mostrar a passagem de tempo. Aliás, a entropia foi um modo de não apenas explicar as mudanças quânticas de um sistema (conjunto de partículas, por exemplo), mas comprovar o próprio tempo como fisicamente real.

De acordo com as leis da termodinâmica, as partículas podem se distribuir em níveis energéticos quantizados (em “pacotes”), incluindo translacionais, vibracionais, rotacionais, e eletrônicos. Isso significa que durante a evolução daquele sistema, as partículas ganharão novos valores, que os cientistas chamam de “informação”.

Essas informações de uma partícula nunca se perdem, mesmo que a matéria seja transformada. Por exemplo, as partículas de uma folha de papel queimada carregarão a informação que ela tinha antes da folha se queimar. Se os cientistas pudessem estudar essas informações e controlar todas as propriedades das partículas, seria possível reverter o carbono em papel novamente.

O gelo em uma superfície tem muito mais possibilidades de derreter do que a água tem de voltar ao estado sólido (Imagem: Reprodução/Dragon77/Pixabay)

Entretanto, é tecnicamente impossível reverter a entropia de um sistema — ela sempre aumenta, nunca diminui. Em outras palavras, a desordem dessas partículas está sempre aumentando, com novas informações. Para citar mais um exemplo, cubos de gelo em um copo d’água derretem, isso significa que a entropia nesse sistema aumenta. É muito mais fácil fazer o gelo derreter do que congelar a água.

O aumento da entropia é, portanto, um processo que ocorre em apenas uma direção, o que parece nos sugerir que o próprio tempo só pode avançar em direção ao futuro. Não podemos fazer o gelo re-congelar dentro do copo, assim como não podemos voltar no tempo, como se estivéssemos retrocedendo um vídeo gravado.

Em outras palavras, os átomos podem se rearranjar, mas isso significa que a entropia aumenta sempre que eles ficam mais desordenados — a água tem átomos mais desordenados que o gelo, assim como o carbono tem átomos mais desordenados que uma folha de papel. É por isso que congelar água requer muita energia.

Entropia e setas do tempo

Com a entropia, estamos sempre vendo as coisas acontecerem em um único sentido — de um estado organizado para desordenado — à medida que o tempo avança. Podemos explicar o passado com as informações em um sistema, mas não podemos prever o futuro simplesmente porque a entropia aumenta.

Isso implica em um tempo sempre adiante, sem nenhuma possibilidade de voltar ao passado, do mesmo modo que não podemos re-congelar a água ou des-queimar a folha de papel. Mas, e se o tempo não foi uma via de mão única para as partículas desses sistemas?

Para os autores do novo estudo, tudo depende da quantidade de entropia produzida em um evento. Se ela for pequena o suficiente, há uma probabilidade considerável de haver a reversão de um fenômeno. Isso porque, no reino quântico, princípio da superposição quântica dita que dois estados sobrepostos de um sistema são possíveis (sim, podemos evocar o gato de Schrödinger).

Quando o papel queima, a entropia das partículas aumenta, isto é, o sistema se torna mais desordenado (Imagem: Reprodução/Ananta_sarkar/Pixabay)

De acordo com o estudo, este princípio pode ser aplicado às setas do tempo (que apontam o sentido do tempo em um sistema onde a entropia aumenta). Isso implica “que os sistemas quânticos que evoluem em uma ou outra direção temporal também podem evoluir simultaneamente ao longo de ambas as direções temporais.

Mas por que nunca encontramos essas superposições de fluxos de tempo? Bem, os autores afirmam que quantificaram “a entropia produzida por um sistema que evolui em superposição quântica de processos com flechas de tempo opostas”. Com isso, eles descobriram que “geralmente isso resulta em projetar o sistema em uma direção de tempo bem definida, correspondendo ao processo mais provável dos dois”.

Por outro lado, quando se trata de pequenas quantidades de entropia, “pode-se observar fisicamente as consequências do sistema ter evoluído ao mesmo tempo para frente e para trás nas direções temporais”. Geralmente, o tempo é um parâmetro sempre crescente, mas o estudo mostra “que as leis que governam seu fluxo em contextos de mecânica quântica são muito mais complexas”, disse a Dra. Giulia Rubino, da Universidade de Bristol, autora principal do estudo.

Tudo pode parecer bem confuso, mas a entropia é um conceito importante para melhorias no desempenho das máquinas térmicas e refrigeradores, e o conceito de setas de tempo sobrepostas pode ajudar na melhoria desses equipamentos. O artigo foi publicado na Communications Physics.

Fonte: Communications PhysicsUniversidade de Bristol

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