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Qual é a seta do tempo, e porque é que ela confundiu os físicos durante quase um século?

A seta do tempo pode ser explicada de forma bastante simples como a observação de que nos lembramos do passado e não do futuro. Temos acesso aos livros de história e a todos os outros tipos de registros sobre o que nos é apresentado, mas nenhuma informação do outro lado.

Agora, isto pode parecer simplista, mas há aqui um enigma. As leis da física são simétricas, o que significa que elas funcionam independentemente do caminho que você esteja se movendo no tempo. Por exemplo, imagine que você viu um filme de um ovo caindo de uma mesa, e se estilhaçando no chão. Se você assistiu a esse mesmo filme em rewindwdw com todas as rachaduras e pedaços do ovo quebrado se reorganizando ordenadamente, e essa energia de reforma forçando o ovo a saltar de volta para o espaço da mesa, isso também obedece às leis da física.

Então agora temos uma pergunta. Porque é que para onde quer que olhemos, vemos sempre o primeiro cenário e nunca o segundo?

Temos alguma explicação plausível?

Há muitas explicações diferentes, e a maioria delas gira em torno da ideia de que a seta do tempo é basicamente gerada por um aumento da entropia. A entropia, muito grosseiramente falando, é uma medida de quão misturado e desordenado é um sistema. E a entropia não é simétrica. Isto é chamado a segunda lei da termodinâmica: Sabemos que, a longo prazo, qualquer sistema suficientemente grande aumentará sempre a entropia.

Imagine que você derramou um saleiro meio cheio com sal, e depois o encheu com pimenta. No início pareceria bem estratificado; mas cada vez que o movia ou abanava, o seu sal e pimenta ficavam cada vez mais misturados e desordenados. Isso é entropia. E porque é um processo unidireccional, muitos físicos têm colocado a hipótese de que de alguma forma dita a direcção que a seta do tempo está a apontar.

Mas estas explicações têm dois problemas sérios. A primeira é que a entropia tem um sal e pimenteiro de calcário superior que só pode ser aleatorizado, até que a sacudida não a torne mais desordenada. Segundo, para ver um aumento da entropia (e assim gerar esta seta do tempo) seria necessário uma configuração inicial especial onde o sal e a pimenta estivessem organizados para começar. Se olharmos para o nosso próprio universo, isto clama por uma explicação – um estado inicial altamente organizado é uma configuração aleatória muito, muito improvável.

Você criou um modelo que mostra que você pode realmente contornar esses problemas olhando para uma propriedade chamada complexidade. Você pode explicar isso?

Fizemos um modelo que é uma aproximação do universo em grande escala, onde a gravidade é a força dominante, e o universo está cheio de partículas. Tenha em mente que é uma aproximação simplificada. Por exemplo, não incluímos nenhuma das outras forças, nem nada como ondas gravitacionais ou matéria negra.

Agora, a razão pela qual não precisávamos de condições de partida especiais para gerar uma seta de tempo é complicada, mas está enraizada no facto de que a gravidade, ao contrário de todas as outras forças, é universalmente atractiva. (Enquanto as forças fortes e fracas e o electromagnetismo podem empurrar ou puxar diferentes tipos de partículas, a gravidade apenas puxa). Isto é importante. Porque enquanto a combinação de uma atração e repulsão criará inevitavelmente uma espécie de equilíbrio caótico, a atração constante da gravidade fará crescer continuamente uma espécie de estrutura da qual se pode derivar uma flecha do tempo.

O que isto significa do ponto de vista do nosso modelo é que, dado qualquer esmagamento inicial aleatório de partículas, à medida que a gravidade começa a puxar, os fragmentos do universo vão-se transformando em clusters cada vez mais densos; o nosso modelo coagulou nestes pequenos subsistemas. Se ajudar, você pode pensar neles como aglomerados globulares de estrelas. aglomerados de mangueiras – porque eles desenvolveram sua própria rotação definida, energia e informações momentâneas coletadas de forma pontual sobre o resto do modelo. Eles codificaram dados sobre como era a estrutura passada do modelo através de suas várias propriedades, algo análogo a um livro de história. Em outras palavras, eles apontaram um caminho no tempo.

Back up por um segundo. Se estamos olhando apenas para a gravidade, então por que o seu modelo não caiu sobre si mesmo?

É um ponto interessante. Sabemos que quando se olha para o universo como um todo, ele está a expandir-se. Nós implementamos essa expansão em nosso modelo dizendo que a proporção da maior e menor distância entre partículas está aumentando constantemente.

Isto foi fundamental, porque neste sistema em expansão onde a gravidade está dominando, você imediatamente vê algo muito interessante acontecendo. A complexidade do universo (e nós usamos “complexidade” como uma quantidade física precisa para descrever como o nosso modelo está agrupado) cresce sem fim. Descobrimos que você pode criar um modelo onde a complexidade do sistema aumenta ilimitadamente, independentemente da posição inicial que você insere.

Mas e todos os outros fenômenos físicos que não estão relacionados à gravidade? Porque é que vemos sempre aqueles que se movem de uma forma no tempo?

Estamos a trabalhar nisso agora mesmo, e vou tentar simplificar as nossas conclusões iniciais. Um grande exemplo é que se você olhar para um átomo em decadência, você sempre descobre que ele se decompõe em um átomo mais leve, nunca mais pesado. Isso segue uma seta de tempo, e aparentemente não tem nada a ver com a gravidade, certo? Não exactamente. Você tem que perceber, para esse átomo, algo tinha que colocá-lo em um estado inicial especial, onde ele fosse capaz de se decompor.

Nós ainda não descrevemos tal átomo. Mas temos um modelo em que o universo primitivo, quando a gravidade era a força dominante, gera estados iniciais muito atípicos. E à medida que o Universo se expandia, e a gravidade deixava de ser a força dominante para pequenos subsistemas como o átomo, essas estacas iniciais de alguma forma forçavam todas as outras flechas do tempo a marchar em passo.

Então você está me dizendo que é possível que o universo primitivo tivesse múltiplas setas do tempo, movendo-se em diferentes direções?

Sim, é possível. Na verdade chamamos a este processo hylogenesisthe ideia de que em algum estágio do universo primitivo as diferentes flechas do tempo estavam todas desordenadas. Mas como a gravidade era a força dominante, ela eventualmente empurrava todas elas para apontar na mesma direção. Antes desse ponto, não havia espaço-tempo no sentido em que o experimentamos atualmente.