O Tempo Emerge de um 'Mini-Universo' Criado em Laboratório com 24.000 Átomos

O Professor Giovanni Barontini e sua equipe na Universidade de Birmingham construíram um "mini-universo" de mesa que oferece uma resposta surpreendente para uma das questões mais profundas da física: o que é o tempo? Ao resfriar aproximadamente 24.000 átomos de rubídio-87 a apenas alguns bilionésimos de grau acima do zero absoluto, formando um condensado de Bose-Einstein, e dividir essa nuvem com uma fina barreira de laser, os pesquisadores criaram um sistema quântico fechado com dois setores distintos: um setor "claro" (observado) e um setor "escuro" (oculto). O experimento, publicado na Physical Review Research, fornece a primeira evidência laboratorial controlada de que uma seta coerente do tempo pode emergir de dentro de um sistema completamente isolado, baseando-se exclusivamente na troca de entropia entre suas partes, sem qualquer relógio externo.

A Montagem: Um Cosmos Quântico Hermeticamente Fechado

O experimento confronta um antigo quebra-cabeça teórico na gravidade quântica conhecido como o "problema do tempo". Na estrutura de Wheeler–DeWitt — uma abordagem canônica para unificar a mecânica quântica e a relatividade geral —, o universo como um todo é descrito por uma equação independente do tempo. Isso sugere que o cosmos não possui um relógio externo embutido. Se o tempo é real, pensa-se, ele deve emergir de forma relacional de dentro do próprio sistema. A equipe de Barontini se propôs a testar esse conceito fisicamente.

Eles criaram um condensado de Bose-Einstein — um estado da matéria onde átomos ultrafrios agem como um único objeto quântico coerente — e o mantiveram em uma armadilha conservativa e independente do tempo. Uma parede de laser óptico cuidadosamente ajustada então dividiu essa nuvem em um setor "claro" observado e um setor "escuro" não observado, com átomos capazes de tunelar ou cruzar a barreira entre eles. Crucialmente, a entropia refinada do sistema global permanece constante, uma característica definidora de um sistema fechado e isolado. Qualquer mudança na entropia de granulação grossa do setor claro deve, portanto, ser devida a uma troca de entropia com o setor escuro oculto.

Observando a Seta do Tempo

Com o sistema selado e particionado, a equipe acompanhou a evolução do setor claro e descobriu uma notável série de análogos cosmológicos.

Ciclos de Big Bang e Big Crunch

O setor claro repetidamente se expandiu e depois colapsou novamente conforme os átomos cruzavam a barreira de laser, um ciclo que imita um ressalto cosmológico ("Big Bounce"). O momento em que os átomos povoaram pela primeira vez o setor claro foi interpretado como um "Big Bang", enquanto seu retorno completo ao setor escuro marcou um "Big Crunch". Esse ciclo de pulsação se repetiu muitas vezes, criando uma história cósmica em miniatura e repetida dentro do laboratório.

Tempo Entrópico como um Relógio Interno

A partir desse fluxo e refluxo de átomos, os pesquisadores definiram um "tempo entrópico". Como a entropia total do sistema é conservada, o movimento direcional dos átomos entre os setores criou um fluxo mensurável e unidirecional de entropia no setor claro. Esse fluxo serviu como um relógio interno confiável que exibiu várias propriedades impressionantes:

• Uma seta consistente: O tempo entrópico fluiu em uma direção consistente, ordenando corretamente os eventos ao longo de múltiplos ciclos de expansão-recolapso.
• Velocidade variável: O relógio acelerava ou desacelerava dependendo da taxa de troca de entropia entre os setores.
• Previsão precisa: Barontini derivou uma equação eficaz do tipo Schrödinger parametrizada por esse tempo entrópico interno — e não pelo tempo convencional do laboratório — e mostrou que ela reproduzia com precisão a evolução medida do setor claro.

Morte Térmica e o Fim do Tempo

Quando a distribuição de átomos entre os setores claro e escuro eventualmente se estabilizou e parou de mudar, a troca de entropia cessou. Nesse ponto, da perspectiva do setor observado, o tempo efetivamente parou — um análogo da morte térmica prevista para o nosso próprio universo.

Por que Isso é Importante para Nossa Compreensão do Universo

O experimento é importante porque tira uma questão fundamental do campo da especulação teórica e a coloca no domínio da física experimental. Ao particionar um sistema quântico fechado e observar o tempo emergindo apenas da dinâmica da entropia, a equipe forneceu o primeiro campo de teste controlado para as construções de tempo relacional. Suas descobertas apoiam a ideia de que o tempo não é um pano de fundo externo e fundamental, mas sim um fenômeno termodinâmico que surge quando um observador distingue um subsistema — muito parecido com a distinção entre os setores claro e escuro — de um todo maior e atemporal. Este universo em miniatura de mesa agora oferece uma nova janela empírica para explorar a física do cosmos real.