Não, a termodinâmica não explica nossa percepção da flecha do tempo

Ao examinar esta imagem estroboscópica de uma bola quicando, você não pode dizer com certeza se a bola está se movendo para a direita e perdendo energia a cada quique, ou se está se movendo para a esquerda e recebendo um chute enérgico a cada quique. As leis da física são simétricas sob transformações de reversão do tempo e, no entanto, só percebemos a seta do tempo correndo em uma direção específica (para frente). O motivo ainda não é conhecido. (WIKIMEDIA COMMONS USERS MICHAELMAGGS E (EDITADO POR) RICHARD BARTZ)

É verdade que temos uma seta termodinâmica do tempo, e a entropia sempre aumenta. Mas isso não pode explicar o que percebemos.


Uma das enormes ideias conceituais que vieram junto com a teoria da relatividade de Einstein foi a surpresa de que o próprio tempo, há muito considerado fundamental e universal, é na verdade relativo. Diferentes observadores, desde que se movam pelo espaço em diferentes velocidades ou em diferentes direções, experimentarão o fluxo do tempo de maneira diferente um do outro. Se dois eventos ocorrem simultaneamente ou um antes do outro depende inteiramente do ponto de vista do observador.



E, no entanto, apesar de o tempo ser ambíguo, há alguns fatos sobre os quais todos os observadores podem concordar. Talvez o mais fundamental – e talvez o mais intrigante também – seja que cada um, em seu próprio referencial inercial, sempre vê o tempo avançando na mesma velocidade: um segundo por segundo. Esse fato é conhecido como a flecha do tempo e, embora existam muitas ideias sobre o que o causa, sabemos que não é termodinâmica. Aqui está a ciência por trás do porquê.





Um relógio de luz parecerá funcionar de maneira diferente para observadores que se movem em velocidades relativas diferentes, mas isso se deve à constância da velocidade da luz. A lei da relatividade especial de Einstein governa como essas transformações de tempo e distância ocorrem entre diferentes observadores. No entanto, cada observador individual verá o tempo passar a uma taxa universal em seu próprio quadro de referência: um segundo por segundo. (JOHN D. NORTON, VIA HTTP://WWW.PITT.EDU/~JDNORTON/TEACHING/HPS_0410/CHAPTERS/SPECIAL_RELATIVITY_CLOCKS_RODS/ )

A cada momento que passa, não importa o que esteja acontecendo ao nosso redor, nos encontramos viajando para o futuro. A luz se propaga na direção em que estava se movendo na velocidade da luz, movendo a distância apropriada por um determinado período de tempo, independentemente do que mais esteja acontecendo. Em nenhum momento, e sob nenhuma circunstância, o tempo parece parar ou retroceder.

Em outras palavras, a seta do tempo sempre aponta para a frente para nós. Mas isso é um enigma para a física, porque as leis da natureza, com pouquíssimas exceções, são completamente simétricas no tempo. De Newton a Einstein a Maxwell a Bohr a Dirac a Feynman, as equações que governam a realidade não têm preferência pelo fluxo do tempo. O comportamento de qualquer sistema pode ser descrito por equações que são tão válidas no sentido direto quanto no sentido inverso.

Então, de onde vem nossa flecha do tempo?

Ainda de uma palestra sobre entropia de Clarissa Sorensen-Unruh. A entropia, rotulada pela quantidade S, desempenha um papel extremamente importante na física e na termodinâmica em particular, e também tem uma seta coincidente com a seta do tempo. Mas o fato de que a entropia nunca diminui significa que a entropia é responsável pela flecha perceptiva do tempo? (C. SORENSEN-UNRUH / YOUTUBE)

De acordo com muitos, pode haver uma ligação entre o que percebemos como a flecha do tempo e uma quantidade chamada entropia. Comumente conhecido como uma medida de desordem em um sistema físico, na verdade existem duas maneiras melhores de pensar sobre isso.

  1. A entropia pode ser vista como o número de arranjos possíveis do estado (quântico) do seu sistema. Se você tiver mais opções de como organizar seu sistema para que ele permaneça idêntico, você terá uma entropia mais alta do que se houvesse menos opções. Uma sala com 20 regiões diferentes a 20 temperaturas diferentes tem uma entropia menor do que uma sala onde todos os locais têm a mesma temperatura.
  2. Também é útil pensar na entropia como uma medida de quanta energia térmica (calor) poderia ser transformada em trabalho mecânico útil. Quando você tem muita energia disponível para realizar trabalho (como uma sala com uma fonte quente e uma pia fria), você tem um sistema de baixa entropia, enquanto se você tem muito pouca energia disponível (uma sala com temperatura próxima ao equilíbrio), você tem um sistema de alta entropia.

O movimento perpétuo tem sido um santo graal de consertadores e inventores, mas viola as leis da física, incluindo a 3ª lei de Newton e as leis da termodinâmica. Em nosso Universo, a entropia nunca pode diminuir espontaneamente, o que é suficiente para falsificar ideias de movimento perpétuo. (NORMAN ROCKWELL / CIÊNCIA POPULAR)

Quando discutimos entropia, uma das restrições mais importantes de todas vem da ciência da termodinâmica. Em particular, a segunda lei é de extrema relevância, afirmando que a entropia de um sistema fechado (autocontido) só pode aumentar ou permanecer a mesma ao longo do tempo; nunca pode cair. Em outras palavras, com o tempo, a entropia de todo o Universo deve aumentar. É a única lei conhecida da física que parece ter uma direção preferencial para o tempo.

Então, isso significa que só experimentamos o tempo da maneira que fazemos por causa da segunda lei da termodinâmica? Que existe uma conexão fundamentalmente profunda entre a flecha do tempo e a entropia? Enquanto muitos na comunidade de filosofia (incluindo físicos que pisam na filosofia) pensam que pode haver, a evidência física indica fortemente o contrário.

A história do Universo e a flecha do tempo, que flui sempre na mesma direção e na mesma velocidade para qualquer observador em qualquer lugar. (NASA/GSFC)

Claro, você pode embaralhar e cozinhar um ovo, e esse é um processo muito fácil em comparação com o invertido no tempo; descascar e desembaraçar um ovo é praticamente, digamos, uma perspectiva muito improvável. A mesma situação se aplica quando você coloca creme no café e o mexe; homogeneizar sua mistura de café/creme é muito mais fácil do que separar café/creme misturado em seus constituintes individuais.

De fato, a termodinâmica e a entropia desempenham um papel descomunal em ambos os processos, mostrando uma diferença gritante na entropia entre os estados inicial (não mexido e não cozido, ou não misturado) e final (mexido e cozido ou misto). Esses casos são um exemplo específico de entropia no trabalho, onde um estado de entropia inicialmente mais baixa (com mais energia disponível capaz de realizar trabalho) transita para um estado final de entropia mais alta (com menos energia disponível para realizar trabalho), coincidente com o passagem do tempo.

À medida que o gelo derrete em uma bebida, o sistema se aproxima de uma configuração de equilíbrio, onde todas as moléculas dentro têm a mesma temperatura, em oposição a um estado de pré-fusão, onde o gelo é muitas vezes significativamente mais frio do que o líquido em que é colocado. aquecem espontaneamente e formam cubos de gelo; apenas o inverso, onde bebidas mais quentes e cubos de gelo mais frios se aproximam de seu equilíbrio térmico mútuo. (GETTY)

A natureza está cheia de exemplos como estes: o que convencionalmente chamamos de reações irreversíveis na física. Coloque um cubo de gelo em uma bebida quente e o gelo derreterá, resultando em uma bebida gelada; uma bebida fresca nunca vai se separar em uma bebida quente e um cubo de gelo. Crie uma sala com uma barreira entre duas metades dela, metade quente e metade fria, e então abra um portão permitindo que as partículas entre as duas metades se misturem.

Com o tempo, a sala se equilibrará e ambas as metades serão preenchidas com partículas de temperatura intermediária. Nunca, não importa quanto tempo (praticamente) você espere, as duas metades se separarão espontaneamente em uma sala que está meio quente e meio fria novamente. Este é o preço que o Universo extrai ao longo do tempo: a entropia total de um sistema nunca pode diminuir. Essas interações não são reversíveis.

Exceto, se você manipular as coisas da maneira certa, talvez elas possam ser revertidas, afinal.

Um sistema estabelecido nas condições iniciais à esquerda e deixado evoluir se tornará o sistema à direita espontaneamente, ganhando entropia no processo. O sistema da esquerda é capaz de realizar mais trabalho e possui menos estados quânticos idênticos que podem descrevê-lo, nos ensinando que este é um sistema com entropia menor que o da direita. (USUÁRIOS DO WIKIMEDIA COMMONS HTKYM E DHOLLM)

Há uma ressalva que a maioria das pessoas esquece quando se trata da segunda lei da termodinâmica e do inevitável aumento de entropia que acompanha: a lei só vale quando a aplicamos a um sistema fechado. Desde que tenhamos um sistema onde não haja energia externa inserida ou extraída dele, ou não haja acréscimos ou subtrações de entropia em relação ao mundo exterior, a segunda lei da termodinâmica é obrigatória.

Mas se violarmos essas condições, podemos violar a segunda lei da termodinâmica, afinal. Uma maneira de reverter as duas metades de uma reação de caixa foi pensada pela primeira vez pelo grande físico James Clerk Maxwell na década de 1870. Ao postular uma entidade externa capaz de abrir ou fechar rapidamente uma divisão entre os dois lados da sala em um momento oportuno, as moléculas frias podem ser coletadas de um lado com as moléculas quentes coletadas do outro.

Essa ideia hoje é conhecida como O demônio de Maxwell , e permite que você diminua a entropia do sistema, afinal, ao custo de gastar a energia necessária para monitorar o sistema e abrir e fechar a porta entre os dois lados.

Uma representação do demônio de Maxwell, que pode classificar partículas de acordo com sua energia em ambos os lados de uma caixa. Ao abrir e fechar o divisor entre os dois lados, o fluxo de partículas pode ser controlado de forma complexa, reduzindo a entropia do sistema dentro da caixa. (WIKIMEDIA COMMONS USUÁRIO HTKYM)

Fazer isso não viola a segunda lei da termodinâmica, pois a entropia total da caixa e a entropia do demônio (ou as ações do demônio) devem ser somadas, e essa entropia combinada sempre aumenta. Somente se você olhar para uma parte do sistema, como a caixa sozinha (e ignorar o demônio e suas ações), você perceberá uma diminuição na entropia.

Mas é exatamente disso que precisamos para refutar a conexão hipotética entre a flecha termodinâmica do tempo e a flecha perceptiva do tempo. Mesmo se você vivesse na caixa e o demônio fosse indetectável - semelhante a se você vivesse em um bolsão do Universo que viu uma diminuição da entropia - o tempo ainda correria para você. A flecha termodinâmica do tempo não determina nossa flecha perceptiva do tempo.

Não importa como mudemos a entropia do Universo ao nosso redor, o tempo continua a passar para todos os observadores à taxa de um segundo por segundo. (DOMÍNIO PÚBLICO)

Se você controlar cuidadosamente as entradas e saídas de energia e entropia do seu sistema, todas essas reações que anteriormente rotulamos como irreversíveis podem realmente ocorrer, incluindo:

  • descascando e desembaralhando um ovo,
  • desmisturando café e creme,
  • separar uma bebida morna em uma bebida quente e um cubo de gelo,
  • ou separar uma sala de temperatura uniforme em uma metade quente e uma metade fria.

Mas mesmo que você faça essas reações acontecerem de uma maneira que (localmente) reverta a entropia, seus relógios ainda avançam. Em sistemas naturais onde a entropia permanece constante, como uma nuvem de matéria sem colisões em expansão adiabática, o tempo ainda avança. Além disso, ele sempre faz isso exatamente na mesma taxa para todos os observadores, independentemente de como sua entropia muda: na taxa de um segundo por segundo.

Da inflação ao Big Bang quente, ao nascimento e morte de estrelas, galáxias e buracos negros, até nosso destino final de energia escura, sabemos que a entropia nunca diminui com o tempo. Mas ainda não entendemos por que o próprio tempo flui para frente. No entanto, temos certeza de que a entropia não é a resposta. (E. SIEGEL, COM IMAGENS DERIVADAS DA ESA/PLANCK E DA FORÇA-TAREFA INTERAGÊNCIA DO DOE/NASA/NSF NA PESQUISA CMB)

Até onde sabemos, a segunda lei da termodinâmica é verdadeira: a entropia nunca diminui para nenhum sistema fechado do Universo, inclusive para a totalidade do próprio Universo observável. Também é verdade que o tempo sempre corre em uma direção apenas, para frente, para todos os observadores. O que muitos não apreciam é que esses dois tipos de setas – a seta termodinâmica da entropia e a seta perceptiva do tempo – não são intercambiáveis.

Durante a inflação, onde a entropia permanece baixa e constante, o tempo ainda avança. Quando a última estrela se queimar e o último buraco negro decair e o Universo for dominado pela energia escura, o tempo ainda continuará correndo. E em todos os lugares, independentemente do que está acontecendo no Universo ou com sua entropia, o tempo ainda corre exatamente na mesma taxa universal para todos os observadores.

Se você quer saber por que o ontem está no passado imutável, o amanhã chegará em um dia, e o presente é o que você está vivenciando agora, você está em boa companhia. Mas a termodinâmica, por mais interessante que seja, não lhe dará a resposta. A partir de 2019, ainda é um mistério não resolvido.


Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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