Desde o início do universo até os dias atuais, é uma das poucas coisas que consideramos regulares e imutáveis. Nós olhamos para a física do tempo.

Ao considerar o tempo, é fácil se perder rapidamente na complexidade do tópico. O tempo está ao nosso redor, está sempre presente e é a base de como registramos a vida na Terra. É a constante que mantém o mundo, o sistema solar e até mesmo o universo funcionando. 

O tempo está ao nosso redor, uma constante que mantém o mundo e o universo funcionando. Crédito da imagem: Shutterstock

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Civilizações surgiram e caíram, estrelas nasceram e se extinguiram, e nosso único método de acompanhar todos os eventos no universo e na Terra tem sido compará-los aos dias atuais com a passagem regular do tempo. Mas é realmente uma constante? O tempo é realmente tão simples quanto um movimento de um segundo para o outro? 

O universo nasceu há 13,8 bilhões de anos e, desde então, o tempo voou até os dias atuais, supervisionando a criação das galáxias e a expansão do espaço. Mas quando se trata de comparar o tempo, é assustador perceber o quão pouco tempo realmente experimentamos. 

A Terra pode ter 4,5 bilhões de anos, mas os humanos modernos a habitam há cerca de 300.000 anos, isso é apenas 0,002% da idade do universo. Ainda está se sentindo pequeno e insignificante? Fica pior. Vivemos tão pouco tempo na Terra que, em termos astronômicos, somos totalmente desprezíveis.

No século 17, o físico Isaac Newton viu o tempo como uma flecha disparada de um arco, viajando em linha reta e direta e nunca se desviando de seu caminho. Para Newton, um segundo na Terra era a mesma duração do mesmo segundo em Marte, Júpiter ou no espaço profundo. Ele acreditava que o movimento absoluto não poderia ser detectado, o que significava que nada no universo tinha uma velocidade constante, mesmo a luz. Ao aplicar essa teoria, ele foi capaz de supor que, se a velocidade da luz pode variar, o tempo deve ser constante. O tempo deve passar de um segundo para o próximo, sem diferença entre a duração de quaisquer dois segundos. Isso é algo que é fácil pensar que é verdade. Cada dia tem cerca de 24 horas; você não tem um dia com 26 e outro com 23. 

No entanto, em 1905, Albert Einstein afirmou que a velocidade da luz não varia, mas sim uma constante, viajando a cerca de 186.282 milhas por segundo (299.792 quilômetros por segundo). Ele postulou que o tempo era mais como um rio, vazando e fluindo dependendo dos efeitos da gravidade e do espaço-tempo. O tempo aumentaria e desaceleraria em torno dos corpos cosmológicos com diferentes massas e velocidades e, portanto, um segundo na Terra não era a mesma duração em todo o universo.

Isso representou um problema. Se a velocidade da luz fosse realmente uma constante, então deveria haver alguma variável que se alterou em grandes distâncias através do universo. Com a expansão do universo e os planetas e galáxias movendo-se em uma escala galacticamente gigantesca, algo teve que ceder para permitir essas pequenas flutuações. E essa variável tinha que ser o tempo.

Em última análise, foi a teoria de Einstein que não apenas se acreditou ser a verdade, mas também provou ser totalmente precisa. Em outubro de 1971, dois físicos chamados JC Hafele e Richard Keating começaram a provar sua validade. Para fazer isso, eles voaram com quatro relógios atômicos de césio em aviões ao redor do mundo, para o leste e depois para o oeste. 

De acordo com a teoria de Einstein, quando comparados com relógios atômicos baseados em terra, neste caso, no Observatório Naval dos EUA em Washington, DC - os relógios aerotransportados de Hafele e Keating seriam cerca de 40 nanossegundos mais lentos após sua viagem para o leste, e cerca de 275 nanossegundos mais rápidos após viajar oeste, devido aos efeitos gravitacionais da Terra sobre a velocidade dos aviões, de acordo com seu estudo de 1972 na revista Science. Incrivelmente, os relógios realmente registraram uma diferença ao viajar para o leste e o oeste ao redor do mundo, cerca de 59 nanossegundos mais lento e 273 nanossegundos mais rápido, respectivamente, em comparação com o Observatório Naval dos Estados Unidos. Isso provou que Einstein estava correto, especificamente com sua teoria da dilatação do tempo, e que o tempo de fato flutuou por todo o universo.

O que acontece durante a dilatação do tempo?

O que a teoria da relatividade especial significa em termos de tempo? Sugerimos a leitura de nossa explicação da relatividade especial primeiro para realmente entender a dilatação do tempo.

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Newton e Einstein concordaram em uma coisa, porém, que o tempo avança. Até agora não há evidência de nada no universo que seja capaz de se esquivar do tempo e se mover para frente e para trás à vontade. No final das contas, tudo se move para frente no tempo, seja em um ritmo regular ou ligeiramente deformado se se aproxima da velocidade da luz. Podemos responder por que o tempo passa? Não é bem assim, embora existam várias teorias sobre por que isso acontece. Uma delas traz as leis da termodinâmica, especificamente a segunda lei. Isso afirma que tudo no universo quer passar da entropia baixa para a alta, ou da uniformidade para a desordem, começando com a simplicidade no Big Bang e movendo-se para o arranjo quase aleatório de galáxias e seus habitantes nos dias atuais. Isso é conhecido como a “flecha do tempo” ou, às vezes, “a flecha do tempo, provavelmente cunhada pelo astrônomo britânico Arthur Eddington em 1928, disse o filósofo analítico Huw Price no Séminaire Poincaré em 2006. 

Eddington sugeriu que o tempo não era simétrico: “Se, conforme seguimos a flecha, encontramos cada vez mais o elemento aleatório no estado do mundo, então a flecha aponta para o futuro; se o elemento aleatório diminuir, a flecha aponta para o passado”, escreveu ele em “A Natureza do Mundo Físico” em 1928. Por exemplo, se você observasse uma estrela em quase uniformidade, mas depois a visse explodir como uma supernova e se tornar uma nebulosa espalhada, você saberia que o tempo avançou da igualdade para o caos.  

Outra teoria sugere que a passagem do tempo se deve à expansão do universo. À medida que o universo se expande, ele puxa o tempo com ele, pois o espaço e o tempo estão ligados como um só, mas isso significaria que se o universo atingisse um limite teórico de expansão e começasse a se contrair, o tempo se inverteria, um pequeno paradoxo para os cientistas e astrônomos. O tempo realmente retrocederia, com tudo voltando a uma era de simplicidade e terminando com um “Big Crunch”? É improvável que estejamos por aí para descobrir, mas podemos postular sobre o que achamos que pode acontecer.

É incrível pensar no progresso que fizemos em nossa compreensão do tempo no século passado. De antigos relógios de sol que medem o tempo aos modernos relógios atômicos, podemos até acompanhar a passagem de um segundo mais de perto do que nunca. O tempo continua sendo um tópico complexo, mas graças aos visionários científicos, estamos nos aproximando de desvendar os segredos dessa constante universal não tão constante.

Uma ilustração do conceito da "seta do tempo". Crédito da imagem: NASA / GSFC

A importância da teoria da relatividade especial de Einstein

A teoria da relatividade especial de Einstein se baseia em um fato fundamental: a velocidade da luz é a mesma, não importa como você olhe para ela. Para colocar isso em prática, imagine que você está viajando de carro a 32 km/h e passa por um amigo que está parado. Ao passar por eles, você joga uma bola na frente do carro a 16 km/h. 

Para seu amigo, a velocidade da bola combina com a do carro e, portanto, parece estar viajando a 30 mph (48 km/h). Em relação a você, no entanto, a bola viaja a apenas 10 mph, pois você já está viajando a 20 mph.

Agora imagine o mesmo cenário, mas desta vez você ultrapassa seu amigo estacionário enquanto viaja à metade da velocidade da luz. Por meio de alguma engenhoca imaginária, seu amigo pode observá-lo enquanto você viaja. Desta vez, você lança um feixe de luz no para-brisa do carro. 

Em nosso cálculo anterior, adicionamos a velocidade da bola e do carro para descobrir o que seu amigo viu, então, neste caso, seu amigo vê o feixe de luz viajando a uma vez e meia a velocidade da luz? 

De acordo com Einstein, a resposta é não. A velocidade da luz sempre permanece constante e nada pode viajar mais rápido do que ela. Nesta ocasião, você e seu amigo observam a velocidade da luz viajando em seu valor universalmente acordado de aproximadamente 186.282 milhas por segundo. Esta é a teoria da relatividade especial, e é muito importante quando falamos sobre o tempo.

Conceito artístico da nave espacial Gravity Probe B em órbita. Crédito da imagem: NASA / MSFC

Tempo: a quarta dimensão do universo

Antigamente, pensava-se que o espaço e o tempo eram separados e que o universo era apenas uma variedade de corpos cósmicos dispostos em três dimensões. Einstein, no entanto, introduziu o conceito de uma quarta dimensão - o tempo - que significava que o espaço e o tempo estavam inextricavelmente ligados. A teoria geral da relatividade sugere que o espaço-tempo se expande e se contrai dependendo do momento e da massa da matéria próxima. A teoria era sólida, mas tudo o que era necessário era uma prova.

Essa prova veio por cortesia da Gravity Probe B da NASA, que demonstrou que o espaço e o tempo estavam de fato ligados. Quatro giroscópios foram apontados na direção de uma estrela distante e, se a gravidade não tivesse efeito no espaço e no tempo, eles permaneceriam presos na mesma posição. No entanto, os cientistas observaram claramente um efeito de “arrastamento de quadros” devido à gravidade da Terra, o que significava que os giroscópios foram puxados ligeiramente para fora da posição. Isso parece provar que a própria estrutura do espaço pode ser alterada e, se o espaço e o tempo estiverem ligados, então o próprio tempo pode ser esticado e contraído pela gravidade.

Quanto tempo dura um segundo?

Existem duas formas principais de medir o tempo: tempo dinâmico e atômico. O primeiro depende do movimento dos corpos celestes, incluindo a Terra, para manter o controle do tempo, seja o tempo de rotação de uma estrela giratória distante como um pulsar, o movimento de uma estrela em nosso céu noturno ou a rotação da Terra. No entanto, apesar de uma estrela girar, o que pode ser difícil de observar, esses métodos nem sempre são totalmente precisos.

A antiga definição de segundo era baseada na rotação da Terra. Como leva um dia para o sol nascer no leste, se pôr no oeste e nascer novamente, um dia foi dividido quase que arbitrariamente em 24 horas, uma hora em 60 minutos e um minuto em 60 segundos. No entanto, a Terra não gira uniformemente. Sua rotação diminui a uma taxa de cerca de 30 segundos a cada 10.000 anos devido a fatores como o atrito das marés. Os cientistas desenvolveram maneiras de contabilizar a mudança na velocidade de rotação da Terra, introduzindo segundos bissextos”, mas para um tempo mais preciso você tem que diminuir ainda mais.

O tempo atômico depende da transição de energia dentro de um átomo de um determinado elemento, comumente césio. Definindo um segundo usando o número dessas transições, o tempo pode ser medido com a precisão de perder uma pequena porção de um segundo em um milhão de anos. A definição de um segundo é agora definida como 9.192.631.770 transições dentro de um átomo de césio, relatou a Scientific American.

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Relógios atômicos: o controle de tempo mais preciso

O relógio mais preciso do universo provavelmente seria uma estrela em rotação como um pulsar, mas na Terra os relógios atômicos fornecem o registro do tempo mais preciso. Todo o sistema GPS em órbita ao redor da Terra usa relógios atômicos para rastrear com precisão as posições e retransmitir dados para o planeta, enquanto centros científicos inteiros são configurados para calcular a medida de tempo mais precisa, geralmente medindo as transições dentro de um átomo de césio. 

Enquanto a maioria dos relógios atômicos dependem de campos magnéticos, os relógios modernos estão usando lasers para rastrear e detectar as transições de energia dentro dos átomos de césio e manter uma medida de tempo mais definida. Embora os relógios de césio sejam usados atualmente para manter a hora em todo o mundo, os relógios de estrôncio prometem o dobro de precisão, enquanto um projeto experimental baseado em átomos de mercúrio carregados poderia reduzir ainda mais as discrepâncias para menos de 1 segundo perdido ou ganho em 400 milhões de anos.

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Referência:

O´CALLAGHAN, jonathan. How does time work? Space, Nova York, 26, ago. 2022. References. Disponível em: <https://www.space.com/time-how-it-works>. Acesso em: 19, mai. 2021.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.