Giovanni Barontini cria um mini-universo e observa o tempo entrópico

Todos os relógios se apoiam em algo que lhes é exterior. Um relógio de parede conta as oscilações de uma engrenagem, o seu telemóvel segue a vibração de um cristal de quartzo, um relógio de sol acompanha o movimento do Sol. O compasso vem sempre de fora.

Um físico perguntou-se o que aconteceria se esse referencial externo fosse removido por completo. Isolou do mundo uma minúscula nuvem de átomos - aquilo a que chamou um mini-universo - sem nada lá fora com que comparar, e limitou-se a observar.

Mesmo assim, acabou por surgir algo que se comporta muito como o tempo. Só que, desta vez, construído a partir do interior.

O problema do tempo

Este trabalho é do físico Giovanni Barontini, professor na Universidade de Birmingham. O seu objectivo foi atacar aquilo a que os físicos chamam o problema do tempo: algumas das teorias mais fundamentais sobre o universo, no seu núcleo, não incluem tempo nenhum.

Na matemática que tenta descrever o cosmos inteiro de uma só vez, não existe uma variável a “tiques” nem um antes e um depois embutidos - apenas um único estado, imóvel. Ainda assim, no quotidiano, tudo parece avançar. Este choque de perspectivas é debatido há décadas em revisões académicas densas.

Mostrar de que forma o tempo pode emergir num universo onde ele não está “de origem” é um dos nós persistentes na gravidade quântica. Uma resposta clara tem permanecido fora de alcance.

Construir um mini-universo

Para trazer esse enigma para o laboratório, Barontini aprisionou uma nuvem com cerca de 24,000 átomos de rubídio e arrefeceu-a até alguns bilionésimos de grau acima do zero absoluto. A temperaturas tão baixas, os átomos deixam de se comportar como indivíduos separados e passam a actuar como um todo.

Dois feixes laser mantiveram a nuvem estável, enquanto uma fina “parede” de luz a dividia em duas metades. Uma ficou exposta à câmara - o sector luminoso - e a outra permaneceu sem observação - o sector escuro. Os átomos podiam atravessar de um lado para o outro, mas nada mais entrava ou saía.

Sem interferência adicional, o lado luminoso expandia-se e voltava a colapsar, repetidamente. Esse vaivém serviu como analogia: uma Grande Explosão a insuflar um cosmos e um Grande Colapso a puxá-lo de volta.

Nuvens deste tipo já tinham sido usadas para reproduzir, num ensaio célebre, o brilho ténue associado a um buraco negro.

Tempo a partir da entropia

Sem autorização para recorrer a um relógio externo, Barontini teve de marcar acontecimentos usando apenas o que se passava dentro do sistema. A solução foi olhar para a entropia - em termos simples, o grau de dispersão e desordem atingido pelos átomos.

A entropia do sector luminoso subia e descia conforme variava o número de átomos presentes desse lado. Ao seguir esse fluxo, Barontini obteve uma espécie de relógio interno, a que chamou tempo entrópico. Quando átomos atravessavam a parede, o relógio avançava; quando não havia travessia, não se passava “tempo” nesse sentido.

Ele fotografou a nuvem a cada dois milésimos de segundo durante cerca de um décimo de segundo, estimando em cada imagem quantos átomos lá estavam e quão espalhados se encontravam. Ao longo dessas capturas, o relógio interno avançou numa só direcção quase sempre.

Há muito que os teóricos defendiam que um relógio deste género poderia existir dentro de um sistema fechado. Barontini foi o primeiro a construí-lo e a confrontá-lo com medições reais.

Quando o tempo pára

Os momentos mais estranhos surgiram quando não havia travessias pela parede de luz. Entre um colapso e a expansão seguinte, nenhum átomo mudava de lado; assim, a entropia não se alterava - e o relógio de Barontini ficava literalmente congelado. O relógio habitual do laboratório, porém, continuava a contar sem interrupção.

Ao aumentar a altura da parede, tudo abrandava. Com menos átomos capazes de atravessar, a entropia deixava de “jorrar” e passava a escorrer, e o relógio interno avançava a passo de caracol.

Se a barreira fosse elevada o suficiente, o sector luminoso acabava por estabilizar num único estado invariável - e o tempo entrópico parava de vez.

É precisamente nesta diferença entre os dois relógios que está o essencial. O tempo do laboratório avançava indiferente, enquanto o tempo tecido pelas alterações do próprio sistema podia acelerar ou estagnar - inteiramente ditado pelo comportamento dos átomos. Dentro deste mundo selado, era a mudança que fazia o tempo.

Um tempo que funciona

Quando os acontecimentos eram ordenados por este relógio interno, em vez de pelo relógio do laboratório, a sequência obtida ficava praticamente igual ciclo após ciclo. A reconstrução mantinha-se consistente mesmo quando o mini-universo inchava e encolhia.

Para testar de forma mais exigente, Barontini reformulou a equação central que a física quântica usa para prever como um sistema evolui. Em vez de a fazer correr sobre um tempo externo, aplicou-a ao tempo entrópico. Alimentada com os números do próprio ensaio, a equação reproduziu o que a nuvem tinha efectivamente feito.

“"O tempo pode ser definido pelas mudanças dentro de um sistema"”, afirmou Barontini.

A entropia total do mini-universo manteve-se quase constante em todas as repetições, apesar de a metade visível continuar em agitação. Isso encaixa em teorias sem tempo, nas quais o cosmos como um todo permanece estático, ainda que as suas partes se movam de forma evidente.

O que isto abre

O que Barontini demonstrou é que o tempo não tem de vir de fora de um sistema. É possível construir uma versão funcional a partir das mudanças internas de um mundo quântico isolado. Assim, uma questão que antes era sobretudo teórica passa a ser algo que se pode pôr à prova no laboratório.

Isto abre portas concretas. A mesma configuração com átomos ultrafrios poderá permitir explorar as fronteiras violentas de uma Grande Explosão ou de um Grande Colapso e perguntar se o universo colapsa realmente até um ponto ou se, em alternativa, “ressalta” e recomeça.

Também ficam ao alcance versões de bancada de buracos negros. A mesma abordagem já recriou, noutro estudo, um universo em expansão.

Numa área em que a natureza do tempo foi durante muito tempo discutida apenas no papel, vê-lo correr - e parar - dentro de uma experiência real altera o que passa a ser, de facto, respondível.