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Ciência29/11/2021

No reino quântico, nem mesmo o tempo flui como você poderia esperar

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

29/11/21 - 08h03min - Atualizado em 29/11/21 - 08h06min

Uma equipe de físicos das Universidades de Bristol (Reino Unido), Ilhas Baleares (Espanha), de Viena e do Instituto de Óptica Quântica e Informação Quântica (ambas da Áustria) mostrou como os sistemas quânticos podem evoluir simultaneamente ao longo de duas setas de tempo opostas – tanto para a frente quanto para trás no tempo.

O estudo, publicado na revista Communications Physics, nos leva a 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. De fato, 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.

Entropia grande e pequena

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”.

Ela prosseguiu: “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 dente de volta para o tubo, não teríamos dúvidas de que era uma gravação retrocedida de nosso dia. No entanto, se apertássemos o tubo suavemente para que apenas uma pequena parte da pasta de dente saísse, não seria tão improvável observá-la reentrando no tubo, sugada 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 das peculiaridades desse reino é o princípio da superposição quântica, segundo o qual se dois estados de um sistema quântico são possíveis, então esse sistema também pode estar em ambos os estados ao mesmo tempo.

“Estendendo esse princípio às setas do tempo, isso 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”, afirmou a drª Rubino. “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 fluxo de tempo na natureza.”

Vantagens de desempenho

O dr. Gonzalo Manzano, da Universidade das Ilhas Baleares e coautor do estudo, 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 do 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.

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

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Caslav Brukner