Discreta revolução na Física sugere que o tempo não é uma parte fundamental da realidade

O tempo parece ser a característica mais básica da realidade. Os segundos passam, os dias passam e tudo, desde o movimento dos planetas até a memória humana, parece se desenrolar em uma única direção irreversível. Nascemos e morremos, exatamente nessa ordem. Planejamos nossas vidas em torno do tempo, medimos sua passagem obsessivamente e o experimentamos como um fluxo ininterrupto do passado para o futuro. É tão óbvia nossa sensação que o tempo avança que questioná-lo parece quase inútil.

Mas há mais de um século a física tem se esforçado para definir o que realmente é o tempo. E esse esforço não é uma picuinha filosófica. Ele está no centro de alguns dos problemas mais profundos da ciência. A física moderna se baseia em estruturas diferentes, mas igualmente importantes. Uma delas é a Teoria da Relatividade Geral, que descreve a gravidade e o movimento de grandes objetos, como planetas. Outra é a Mecânica Quântica, que rege o microcosmo dos átomos e partículas. E, em uma escala ainda maior, o Modelo Padrão da Cosmologia descreve o nascimento e a evolução do Universo como um todo. Todas dependem do tempo, mas o tratam de maneiras incompatíveis entre si.

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Quando os físicos tentam combinar essas teorias em uma única estrutura, o tempo muitas vezes se comporta de maneiras inesperadas e perturbadoras. Às vezes, ele se estende. Às vezes, ele desacelera. Às vezes, ele desaparece completamente.

A Teoria da Relatividade de Einstein foi, na verdade, o primeiro grande golpe à nossa intuição cotidiana sobre o tempo. Einstein mostrou que o tempo não é universal. Ele passa em velocidades diferentes, dependendo da gravidade e do movimento. Dois observadores em movimento relativo um ao outro discordarão sobre quais eventos aconteceram simultaneamente. O tempo tornou-se algo elástico, entrelaçado com o espaço em um tecido quadridimensional chamado espaço-tempo.

A Mecânica Quântica deixou essas coisas ainda mais estranhas. Na quântica, o tempo não é algo que a teoria tenta explicar. Ele é simplesmente admitido. As equações da Mecânica Quântica descrevem como os sistemas evoluem em relação ao tempo, mas o tempo em si permanece um parâmetro externo, um relógio de fundo que fica fora da teoria.

Essa incompatibilidade se torna ainda maior quando os físicos tentam descrever a gravidade no nível quântico, o que é crucial para o desenvolvimento da tão cobiçada "Teoria de Tudo" - que unifica as principais teorias fundamentais da Física. Mas, em muitas das tentativas de criar tal teoria, o tempo desaparece completamente como parâmetro das equações fundamentais. O Universo parece congelado, descrito por equações que não fazem referência a mudanças.

Esse enigma é conhecido como "o problema do tempo" e continua sendo um dos obstáculos mais persistentes para uma teoria unificada da física. Apesar do enorme progresso na Cosmologia e na física de partículas, ainda não temos uma explicação clara para o motivo pelo qual o tempo flui.

Agora, uma abordagem relativamente nova da Física, baseada em uma estrutura matemática chamada Teoria da Informação, desenvolvida por Claude Shannon na década de 1940, começa a apresentar respostas surpreendentes.

Entropia e a flecha do tempo

Quando os físicos tentam explicar a direção do tempo, eles frequentemente recorrem a um conceito chamado entropia. A Segunda Lei da Termodinâmica afirma que a desordem de um sistema sempre tende a aumentar. Um copo pode cair e se estilhaçar, mas os cacos nunca se juntam espontaneamente para reformar o copo. Essa assimetria entre o passado e o futuro é frequentemente identificada com "a flecha do tempo".

Essa ideia tem sido extremamente influente em nossa visão de mundo. Ela explica por que muitos processos são irreversíveis, incluindo por que nos lembramos do passado, mas não do futuro. Se o Universo começou em um estado de baixa entropia e está ficando mais desordenado à medida que evolui, isso parece explicar por que o tempo avança. Mas a entropia não resolve totalmente o problema do tempo.

As equações fundamentais da Mecânica Quântica, por exemplo, não distinguem entre passado e futuro. A flecha do tempo surge apenas quando consideramos um grande número de partículas e seu comportamento estatístico. Isso também levanta uma questão mais profunda: por que o Universo começou em um estado de entropia tão baixa? Estatisticamente, há mais maneiras de um Universo ter alta entropia do que baixa entropia, assim como há mais maneiras de um cômodo ficar bagunçado do que arrumado. Então, por que ele partiria de um estado tão improvável?

A revolução da informação

Nas últimas décadas, uma revolução silenciosa, mas de longo alcance, ocorreu na Física. A informação, antes tratada como uma ferramenta contábil abstrata usada para rastrear estados ou probabilidades, tem sido cada vez mais reconhecida como uma quantidade física por si só, assim como a matéria ou a radiação. Enquanto a entropia mede quantos estados microscópicos são possíveis, a informação mede como as interações físicas limitam e registram essas possibilidades.

Essa mudança não aconteceu da noite para o dia. Ela surgiu gradualmente, impulsionada por enigmas na interseção entre termodinâmica, Mecânica Quântica e gravidade, onde tratar a informação como meramente matemática começou a produzir contradições.

Uma das primeiras fissuras apareceu na física dos buracos negros. Quando Stephen Hawking mostrou que os buracos negros emitem radiação térmica, isso levantou uma possibilidade perturbadora: as informações sobre tudo o que cai em um buraco negro podem ser perdidas permanentemente como calor. Essa conclusão entrava em conflito com a Mecânica Quântica, que exige a preservação de todas as informações.

Resolver essa tensão forçou os físicos a confrontar uma verdade mais profunda. A informação não é opcional. Se quisermos uma descrição completa do Universo que inclua a Mecânica Quântica, a informação não pode simplesmente desaparecer sem minar os fundamentos da Física. Essa constatação teve consequências profundas. Ficou claro que a informação tem um custo termodinâmico, que apagá-la dissipa energia e que armazená-la requer recursos físicos.

Paralelamente, surgiram conexões surpreendentes entre a gravidade e a termodinâmica. Foi demonstrado que as equações de Einstein podem ser derivadas dos princípios termodinâmicos que ligam a geometria do espaço-tempo diretamente à entropia e à informação. Nessa visão, a gravidade não se comporta exatamente como uma força fundamental.

Em vez disso, a gravidade parece ser o que os físicos chamam de uma propriedade "emergente" - um fenômeno que descreve algo que é maior do que a soma de suas partes, surgindo de constituintes mais fundamentais. Veja a temperatura. Todos nós podemos senti-la, mas, em um nível fundamental, uma única partícula não pode ter temperatura. Não é uma característica fundamental. Em vez disso, ela só surge como resultado do movimento coletivo de muitas moléculas.

Da mesma forma, a gravidade pode ser descrita como um fenômeno emergente, resultante de processos estatísticos. Alguns físicos chegaram a sugerir que a própria gravidade pode emergir da informação, refletindo como a informação é distribuída, codificada e processada.

Essas ideias convidam a uma mudança radical de perspectiva. Em vez de tratar o espaço-tempo como primário e a informação como algo que vive dentro dele, a informação pode ser o ingrediente mais fundamental do qual o próprio espaço-tempo surge. Com base nessa pesquisa, meus colegas e eu exploramos uma estrutura na qual o próprio espaço-tempo atua como um meio de armazenamento de informações — e isso tem consequências importantes para a forma como vemos o tempo.

Nessa abordagem, o espaço-tempo não é perfeitamente suave, como sugere a Relatividade, mas composto por elementos discretos, cada um com uma capacidade finita de registrar informações quânticas de partículas e campos que passam. Esses elementos não são bits no sentido digital, mas portadores físicos de informações quânticas, capazes de reter a memória de interações passadas.

Uma maneira útil de imaginá-los é pensar no espaço-tempo como um material feito de minúsculas células portadoras de memória. Assim como uma rede cristalina pode armazenar defeitos que apareceram anteriormente no tempo, esses elementos microscópicos do espaço-tempo podem reter traços das interações que passaram por eles. Eles não são partículas no sentido usual descrito pelo Modelo Padrão da física de partículas, mas uma camada mais fundamental da estrutura física na qual a física de partículas opera, em vez de explicar.

Isso tem uma implicação importante. Se o espaço-tempo registra informações, então seu estado atual reflete não apenas o que existe agora, mas tudo o que aconteceu antes. Regiões que passaram por mais interações carregam uma impressão diferente de informações do que regiões que passaram por menos. O Universo, nessa visão, não evolui meramente de acordo com leis atemporais aplicadas a estados em mudança. Ele se lembra.

Um "gravador" cósmico

Essa memória não é metafórica. Toda interação física deixa um rastro informacional. Embora as equações básicas da Mecânica Quântica possam ser executadas para frente ou para trás no tempo, as interações reais nunca acontecem isoladamente. Elas inevitavelmente envolvem o ambiente, vazam informações para fora e deixam registros duradouros do que ocorreu. Uma vez que essas informações se espalham para o ambiente mais amplo, recuperá-las exigiria desfazer não apenas um único evento, mas todas as mudanças físicas que ele provocou ao longo do caminho. Na prática, isso é impossível.

É por isso que as informações não podem ser apagadas e copos quebrados não podem ser remontados. Mas a implicação é mais profunda. Cada interação grava algo permanente na estrutura do Universo, seja na escala de colisões de átomos ou na formação de galáxias.

A geometria e a informação acabam por estar profundamente ligadas nesta visão. No nosso trabalho, mostramos que a forma como o espaço-tempo se curva depende não só da massa e da energia, como Einstein nos ensinou, mas também da forma como a informação quântica, particularmente o entrelaçamento, é distribuída. O entrelaçamento é um processo quântico que liga misteriosamente partículas em regiões distantes do espaço - ele permite que elas compartilhem informações apesar da distância. E essas ligações informacionais contribuem para a geometria efetiva experimentada pela matéria e pela radiação.

A partir dessa perspectiva, a geometria do espaço-tempo não é apenas uma resposta ao que existe em um determinado momento, mas ao que aconteceu. Regiões que registraram muitas interações tendem, em média, a se comportar como se tivessem uma curvatura mais forte e uma gravidade mais intensa do que regiões que registraram menos interações.

Essa reformulação muda sutilmente o papel do espaço-tempo. Em vez de ser uma arena neutra na qual os eventos se desenrolam, o espaço-tempo se torna um participante ativo. Ele armazena informações, restringe a dinâmica futura e molda como novas interações podem ocorrer. Isso naturalmente levanta uma questão mais profunda. Se o espaço-tempo registra informações, o tempo poderia emergir desse processo de registro, em vez de ser assumido desde o início?

O tempo surge da informação

Recentemente, estendemos essa perspectiva informacional ao próprio tempo. Em vez de tratar o tempo como um parâmetro fundamental de fundo, mostramos que a ordem temporal surge desta impressão irreversível de informações. Nessa visão, o tempo não é algo adicionado à física manualmente. Ele surge porque as informações são gravadas em processos físicos e, de acordo com as leis conhecidas da termodinâmica e da física quântica, não podem ser globalmente apagadas novamente. A ideia é simples, mas de longo alcance.

Cada interação, como a colisão de duas partículas, grava informações no Universo. Essas impressões se acumulam. Como não podem ser apagadas, elas definem uma ordem natural dos eventos. Os estados anteriores são aqueles com menos registros informacionais. Os estados posteriores são aqueles com mais registros.

As equações quânticas não preferem uma direção do tempo, mas o processo de disseminação da informação sim. Uma vez que a informação foi disseminada, não há caminho físico de volta ao estado em que estava localizada. A ordem temporal está, portanto, ancorada nessa irreversibilidade, não nas equações em si.

O tempo, nessa visão, não é algo que existe independentemente dos processos físicos. É o registro cumulativo do que aconteceu. Cada interação adiciona uma nova entrada, e a flecha do tempo reflete o fato de que esse registro só cresce.

O futuro difere do passado porque o Universo contém mais informações sobre o passado do que jamais poderá ter sobre o futuro. Isso explica por que o tempo tem uma direção sem depender de condições iniciais especiais de baixa entropia ou argumentos puramente estatísticos. Enquanto houver interações e as informações forem registradas de forma irreversível, o tempo avança.

Curiosamente, essa impressão acumulada de informações pode ter consequências observáveis. Em escalas galáticas, a impressão de informação residual comporta-se como um componente gravitacional adicional, moldando a forma como as galáxias giram sem invocar novas partículas. De fato, a misteriosa substância que chamamos de "matéria escura" foi introduzida para explicar por que as galáxias e os aglomerados de galáxias giram mais rápido do que sua massa visível permitiria.

No quadro informacional, essa atração gravitacional extra não vem de uma matéria escura invisível, mas do fato de que o próprio espaço-tempo registrou uma longa história de interações. As regiões que acumularam mais impressões informacionais respondem mais fortemente ao movimento e à curvatura, aumentando efetivamente sua gravidade. As estrelas orbitam mais rápido não porque há mais massa presente, mas porque o espaço-tempo pelo qual se movem carrega uma memória informacional mais "pesada" das interações passadas.

Desse ponto de vista, a matéria escura, a energia escura e a flecha do tempo podem emergir de um único processo subjacente: o acúmulo irreversível de informações.

Testando o tempo

Mas será que poderíamos testar essa teoria? As ideias sobre o tempo são frequentemente acusadas de serem filosóficas, em vez de científicas. Como o tempo está tão profundamente entrelaçado na forma como descrevemos a mudança, é fácil supor que qualquer tentativa de repensá-lo deve permanecer abstrata. Uma abordagem informacional, no entanto, faz previsões concretas e se conecta diretamente a sistemas que podemos observar, modelar e, em alguns casos, investigar experimentalmente.

Os buracos negros fornecem um campo de teste natural, pois parecem sugerir que as informações são apagadas. Na estrutura informacional, esse conflito é resolvido ao reconhecer que as informações não são destruídas mas impressas no espaço-tempo antes de cruzar o horizonte de eventos. O buraco negro as registra.

Isso tem uma implicação importante para o tempo. À medida que a matéria cai em direção a um buraco negro, as interações se intensificam e a impressão de informações se acelera. O tempo continua a avançar localmente porque as informações continuam a ser gravadas, mesmo quando as noções clássicas de espaço e tempo se desintegram perto do horizonte de eventos e parecem desacelerar ou congelar para observadores distantes.

À medida que o buraco negro evapora por meio da radiação de Hawking, o registro informacional acumulado não desaparece. Em vez disso, ele afeta a forma como a radiação é emitida. A radiação deve carregar sinais sutis que refletem a história do buraco negro. Em outras palavras, a radiação emitida não é perfeitamente aleatória. Sua estrutura é moldada pelas informações previamente registradas no espaço-tempo. Detectar tais sinais ainda está além da tecnologia atual, mas eles fornecem um alvo claro para trabalhos teóricos e observacionais futuros.

Os mesmos princípios podem ser explorados em sistemas controlados muito menores. Em experimentos de laboratório com computadores quânticos, os qubits (o equivalente quântico dos bits) podem ser tratados como células de informação de capacidade finita, assim como as do espaço-tempo. Pesquisadores demonstraram que, mesmo quando as equações quânticas subjacentes são reversíveis, a maneira como as informações são gravadas, disseminadas e recuperadas pode gerar uma seta do tempo efetiva no laboratório. Essas experiências permitem que os físicos testem como os limites de armazenamento de informação afetam a reversibilidade, sem a necessidade de sistemas cosmológicos ou astrofísicos.

Extensões da mesma estrutura sugerem que a impressão informacional não se limita à gravidade. Ela pode desempenhar um papel em todas as forças fundamentais da natureza, incluindo o eletromagnetismo e as forças nucleares. Se isso estiver correto, então a flecha do tempo deve, em última análise, ser rastreável à forma como todas as interações registram informações, não apenas as gravitacionais. Testar isso envolveria procurar limites de reversibilidade ou recuperação de informação em diferentes processos físicos.

Em conjunto, esses exemplos mostram que o tempo informacional não é uma reinterpretação abstrata. Ele liga buracos negros, experimentos quânticos e interações fundamentais por meio de um mecanismo físico compartilhado, que pode ser explorado, restringido e potencialmente falseado à medida que nosso alcance experimental continua a crescer.

O que realmente é o tempo

As ideias sobre informação não substituem a Relatividade ou a Mecânica Quântica. Em condições cotidianas, o tempo informacional acompanha de perto o tempo medido pelos relógios. Para a maioria dos fins práticos, a imagem familiar do tempo funciona extremamente bem. A diferença aparece em regimes onde as descrições convencionais enfrentam dificuldades.

Perto dos horizontes de eventos dos buracos negros ou durante os primeiros momentos do Universo, a noção usual de tempo como uma coordenada externa suave torna-se ambígua. O tempo informacional, por outro lado, permanece bem definido, desde que ocorram interações e as informações sejam registradas de forma irreversível.

Tudo isso pode deixar você se perguntando o que realmente é o tempo. Essa mudança reformula este debate de longa data. A questão não é mais se o tempo deve ser assumido como um ingrediente fundamental do Universo, mas se ele reflete um processo subjacente mais profundo.

Nessa visão, a flecha do tempo pode surgir naturalmente de interações físicas que registram informações e não podem ser desfeitas. O tempo, então, não é um parâmetro misterioso em segundo plano, separado da física. É algo que o Universo gera internamente por meio de sua própria dinâmica. Não é, em última análise, uma parte fundamental da realidade, mas surge de constituintes mais básicos, como a informação.

Ainda não se sabe se essa estrutura será a resposta definitiva para a natureza do tempo ou apenas um trampolim. Como muitas ideias na física fundamental, ela ficará de pé ou cairá com base em quão bem conectar a teoria à observação. Mas ela já sugere uma mudança impressionante de perspectiva.

O Universo não existe simplesmente no tempo. O tempo é algo que o Universo escreve continuamente em si mesmo.

Florian Neukart não presta consultoria, trabalha, possui ações ou recebe financiamento de qualquer empresa ou organização que poderia se beneficiar com a publicação deste artigo e não revelou nenhum vínculo relevante além de seu cargo acadêmico.