Novo estudo mostra que a fronteira entre o tempo se movendo para frente e para trás pode ficar confusa na mecânica quântica.

Ilustração artística de um gondoleiro preso em uma superposição quântica de fluxos de tempo. Crédito da imagem: © Aloop Visual & Science, Universidade de Viena, Instituto de Óptica Quântica e Informação Quântica da Academia Austríaca de Ciências

Mais para você:

• O gato de Schrödinger: o animal de estimação favorito e incompreendido da mecânica quântica
• Energia fantasma e gravidade escura: explicando o lado escuro do universo
• Paradoxo de Fermi: Mesa para um?
• 10 coisas cruciais que resultam das teorias da relatividade de Einstein
• Os 18 maiores mistérios não resolvidos da física
• O que é dilatação do tempo?

Uma equipe de físicos das Universidades de Bristol, Viena, Ilhas Baleares e do Instituto de Óptica Quântica e Informação Quântica (IQOQI-Viena) mostrou como os sistemas quânticos podem evoluir simultaneamente ao longo de duas setas opostas no tempo, para frente e para trás no tempo.

O estudo, publicado na última edição da Communications Physics, necessita repensar como o fluxo do tempo é compreendido e representado em contextos onde as leis quânticas desempenham um papel crucial.

Durante séculos, filósofos e físicos refletiram sobre a existência do tempo. No entanto, no mundo clássico, nossa experiência parece extinguir qualquer dúvida de que o tempo existe e continua. Na verdade, na natureza, os processos tendem a evoluir espontaneamente de estados com menos desordem para estados com mais desordem e essa propensão pode ser usada para identificar uma flecha do tempo. Na física, isso é descrito em termos de 'entropia', que é a quantidade física que define a quantidade de desordem em um sistema.

A Dra. Giulia Rubino, dos Laboratórios de Tecnologia de Engenharia Quântica (laboratórios QET) da Universidade de Bristol e autora principal da publicação, disse: “Se um fenômeno produz uma grande quantidade de entropia, observar sua reversão no tempo é tão improvável que se torna essencialmente impossível. No entanto, quando a entropia produzida é pequena o suficiente, há uma probabilidade não desprezível de ver a reversão de um fenômeno ocorrer naturalmente.

“Podemos tomar a sequência de coisas que fazemos em nossa rotina matinal como exemplo. Se nos mostrassem nossa pasta de dente movendo-se da escova de dentes de volta para o tubo, não teríamos dúvidas de que era uma gravação retrocedida de nossos dias. No entanto, se apertarmos o tubo suavemente para que apenas uma pequena parte da pasta de dente saia, não seria tão improvável observá-lo reentrando no tubo, sugado pela descompressão do tubo.”

Os autores do estudo, sob a orientação do professor Caslav Brukner da Universidade de Viena e do IQOQI-Viena, aplicaram essa ideia ao domínio quântico, uma de cujas peculiaridades é o princípio da superposição quântica, segundo o qual há dois estados de um sistema quântico que é possível, então esse sistema também pode estar em ambos os estados ao mesmo tempo.

O Dr. Rubino disse: “Estendendo este princípio às setas do tempo, resulta que os sistemas quânticos que evoluem em uma ou outra direção temporal (a pasta de dente saindo ou voltando para o tubo) também podem evoluir simultaneamente ao longo de ambas as direções temporais.

“Embora essa ideia pareça um tanto sem sentido quando aplicada à nossa experiência do dia a dia, em seu nível mais fundamental, as leis do universo são baseadas em princípios da mecânica quântica. Isso levanta a questão de por que nunca encontramos essas superposições de fluxos de tempo na natureza."

O Dr. Gonzalo Manzano, co-autor da Universidade das Ilhas Baleares, disse: “Em nosso trabalho, quantificamos a entropia produzida por um sistema que evolui em superposição quântica de processos com flechas de tempo opostas. Descobrimos que isso geralmente resulta em projetar o sistema em uma direção de tempo bem definida, correspondendo ao processo mais provável dos dois. E ainda, quando pequenas quantidades de entropia estão envolvidas (por exemplo, quando há tão pouca pasta de dente derramada que se pode vê-la sendo reabsorvida no tubo), então, pode-se observar fisicamente as consequências de o sistema ter evoluído ao longo das direções temporais para frente e para trás ao mesmo tempo.”

Além da característica fundamental de que o próprio tempo pode não ser bem definido, o trabalho também tem implicações práticas na termodinâmica quântica. Colocar um sistema quântico em uma superposição de setas de tempo alternativas pode oferecer vantagens no desempenho de máquinas térmicas e refrigeradores.

Dr. Rubino disse: “Embora o tempo seja frequentemente tratado como um parâmetro continuamente crescente, nosso estudo mostra que as leis que governam seu fluxo em contextos de mecânica quântica são muito mais complexas. Isso pode sugerir que precisamos repensar a maneira como representamos essa quantidade em todos os contextos onde as leis quânticas desempenham um papel crucial.”

Paper:

'Superposição quântica de evoluções termodinâmicas com setas opostas do tempo' por Rubino et al. em Física das Comunicações.

Informações adicionais:

• Esta pesquisa foi financiada pela Royal Society, o programa de pesquisa e inovação Horizon 2020 da União Europeia, o Austrian Science Fund (FWF), a Comissão Europeia, o Foundational Questions Institute (FQXi) e a John Templeton Foundation.

The Quantum Engineering Technology Labs (QETLabs) da Universidade de Bristol

• O objetivo do QET Labs é explorar aspectos fundamentais da mecânica quântica, trabalhando para futuras tecnologias quânticas fotônicas, gerando, manipulando e medindo fótons individuais, bem como os sistemas quânticos que emitem esses fótons.
• A pesquisa do QET Labs abrange a  Escola de Física  e o  Departamento de Engenharia Elétrica e Eletrônica  das Faculdades de Ciências e Engenharia e o  Centro de Nanociência e Informação Quântica.

Mais informações: 

Quantum superposition of thermodynamic evolutions with opposing time's arrows, Communications Physics (2021). DOI: 10.1038/s42005-021-00759-1

Expanda seus conhecimentos com a Gaia Ciência & junte-se aos nossos Canais Espaciais para continuar falando sobre o espaço nas últimas missões, céu noturno e muito mais! Siga-nos no facebook e no twitter. E se você tiver uma dica, correção ou comentário, informe-nos aqui ou pelo e-mail: gaiaciencia@gaiaciencia.com.br

Referência:

In the quantum realm, not even time flows as you might expect. University of Bristol, 26, nov. 2021. Disponível em: <https://www.bristol.ac.uk/news/2021/november/quantum-rubino-comms-physics.html>. Acesso em: 27, nov. 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.