O tempo voltará atrás se o Universo entrar em colapso?

Desde o início do Big Bang quente, o tempo avança à medida que o Universo se expande. Mas poderia o tempo retroceder, em vez disso?
Em nossa experiência convencional, o tempo sempre avança, e sempre no mesmo ritmo: um segundo por segundo. Mas se houver uma ligação entre entropia e tempo, e pudermos reverter a seta termodinâmica do tempo, tudo isso pode mudar? (Crédito: Pixabay)
Principais conclusões
  • Em nosso Universo, o tempo tem progredido, para todos os observadores, desde o início do Big Bang quente.
  • Existem algumas 'flechas do tempo' que coincidem com isso, incluindo que o Universo está se expandindo e, termodinamicamente, que a entropia está aumentando.
  • Se o Universo se contraísse e entrasse em colapso, isso poderia levar o tempo a retroceder? É uma pergunta que intrigou até Stephen Hawking, mas podemos respondê-la hoje.
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A cada momento que passa no Universo, estamos constantemente avançando no tempo. Cada instante sucessivo dá lugar ao seguinte, com o tempo parecendo fluir continuamente na mesma direção — para a frente — sem falhas. E, no entanto, não está particularmente claro exatamente por que esse é o caso. Ainda assim, se procurarmos, podemos descobrir que várias coisas também acontecem sempre se movendo na mesma direção, de momento a momento, exatamente como o tempo. Os objetos se movem pelo Universo proporcionalmente à sua velocidade. Eles mudam seu movimento devido aos efeitos da gravidade e outras forças. Em grandes escalas, o Universo se expande. E para onde quer que olhemos, a entropia do Universo sempre aumenta.



À medida que a história de nossa evolução cósmica continua, achamos que todas essas coisas continuarão: as leis da física ainda se aplicarão como hoje, a presença da energia escura garante que o Universo continue se expandindo e a entropia continue aumentando, à medida que ditado pelas leis da termodinâmica. Muitos especularam - embora não haja provas - que a flecha da termodinâmica e a flecha do tempo possam estar relacionadas. Outros ainda especularam que a energia escura pode evoluir ao longo do tempo, em vez de ser uma constante, deixando a porta aberta para a possibilidade de um dia neutralizar e reverter a expansão do nosso Universo. O que acontece, então, se juntarmos essas especulações?



Acabaríamos imaginando que talvez o Universo pare de se expandir, que em vez disso comece a entrar em colapso, e que teríamos que perguntar se isso significa que a entropia pode diminuir e/ou o tempo pode até começar a retroceder? É uma possibilidade alucinante, e uma para as leis da física responderem. Vamos ver o que eles têm a dizer sobre tudo isso!



Uma bola no meio do salto tem suas trajetórias passadas e futuras determinadas pelas leis da física, mas o tempo só fluirá para o futuro para nós. Embora as leis do movimento de Newton sejam as mesmas, quer você faça o relógio avançar ou retroceder no tempo, nem todas as regras da física se comportam de forma idêntica se você executar o relógio para frente ou para trás, indicando uma violação da simetria de reversão do tempo (T) onde ocorre.
( Crédito : MichaelMaggs Editado por Richard Bartz/Wikimedia Commons)

Uma das simetrias mais importantes em toda a física é conhecida como simetria de reversão no tempo. Simplificando, diz que as leis da física obedecem às mesmas regras, quer você faça o relógio avançar ou retroceder. Há muitos exemplos em que um fenômeno, se você adiantar o relógio, corresponde a um fenômeno igualmente válido se você atrasar o relógio. Por exemplo:

  • Uma colisão puramente elástica, como duas bolas de bilhar colidindo, se comportaria exatamente da mesma forma se você corresse o relógio para frente e para trás, até a velocidade e o ângulo em que as bolas disparariam.
  • Uma colisão puramente inelástica, onde dois objetos se chocam e se unem, é exatamente o mesmo que uma explosão puramente inelástica ao contrário, onde a energia absorvida ou liberada pelos materiais é idêntica.
  • As interações gravitacionais funcionam da mesma forma para frente e para trás.
  • As interações eletromagnéticas se comportam de forma idêntica para frente e para trás no tempo.
  • Mesmo a força nuclear forte, que une os núcleos atômicos, é idêntica para frente e para trás no tempo.
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A única exceção, e o único momento conhecido em que essa simetria é violada, ocorre na interação nuclear fraca: a força responsável pelos decaimentos radioativos. Se ignorarmos esse valor atípico, as leis da física são realmente as mesmas, independentemente de o tempo avançar ou retroceder.



Prótons e nêutrons individuais podem ser entidades incolores, mas os quarks dentro deles são coloridos. Os glúons podem não apenas ser trocados entre os glúons individuais dentro de um próton ou nêutron, mas em combinações entre prótons e nêutrons, levando à ligação nuclear. No entanto, cada troca deve obedecer ao conjunto completo de regras quânticas, e essas interações de força forte são simétricas de reversão de tempo.
( Crédito : Manishearth/Wikimedia Commons)

O que isso significa é que, se você chegar a qualquer estado final a qualquer momento, sempre há uma maneira de voltar ao seu estado inicial se você aplicar a série certa de interações na ordem certa. A única exceção é que, se o seu sistema é complexo o suficiente, você precisa saber coisas como as posições precisas e os momentos de sua partícula com uma precisão melhor do que é mecanicamente quântica possível . Deixando de lado as interações fracas e essa regra quântica sutil, as leis da natureza realmente são invariantes na reversão do tempo.



Mas isso não parece ser o caso de tudo o que experimentamos. Alguns fenômenos mostram claramente uma seta do tempo, ou uma preferência por uma determinada direção de mão única. Se você pegar um ovo, quebrá-lo, mexi-lo e cozinhá-lo, é fácil; você nunca vai descozinhar, desembaralhar e desfazer um ovo, não importa quantas vezes você tente. Se você empurrar um copo da prateleira e vê-lo quebrar contra o chão, você nunca verá esses pedaços de vidro se erguerem e se remontarem espontaneamente. Para esses exemplos, há claramente uma direção preferida para as coisas: uma seta na qual as coisas fluem.

Um copo de vinho, quando vibrado na frequência certa, quebrará. Este é um processo que aumenta drasticamente a entropia do sistema e é termodinamicamente favorável. O processo inverso, de cacos de vidro se reagrupando em um vidro inteiro, sem rachaduras, é tão improvável que nunca ocorre na prática.
( Crédito : BBC Worldwide/GIPHY)

Reconhecidamente, esses são sistemas macroscópicos complexos, experimentando um conjunto extremamente intrincado de interações. No entanto, a combinação de todas essas interações resulta em algo importante: o que conhecemos como a seta termodinâmica do tempo . As leis da termodinâmica basicamente afirmam que há um número finito de maneiras pelas quais as partículas em seu sistema podem ser organizadas, e aquelas que têm o número máximo de configurações possíveis - aquelas no que chamamos de equilíbrio termodinâmico — são aqueles para os quais todos os sistemas tenderão com o passar do tempo.



Sua entropia, que é uma medida de quão estatisticamente provável ou improvável é uma configuração específica (mais provável = maior entropia; muito improvável = baixa entropia), sempre aumenta com o tempo. Somente se você já estiver na configuração de entropia mais provável e mais alta, sua entropia permanecerá a mesma ao longo do tempo; em qualquer outro estado, sua entropia aumentará.

Meu exemplo favorito é imaginar uma sala com uma divisória no meio: com um lado cheio de partículas de gás quente e o outro cheio de partículas de gás frio. Se você remover o divisor, os dois lados se misturarão e atingirão a mesma temperatura em todos os lugares. A situação invertida no tempo, onde você pega uma sala de temperatura uniforme e coloca um divisor no meio, obtendo espontaneamente um lado quente e um lado frio, é tão estatisticamente improvável que, dada a idade finita do Universo, isso nunca ocorre.



Um sistema montado nas condições iniciais à esquerda e deixado evoluir terá menos entropia se a porta permanecer fechada do que se a porta for aberta. Se as partículas se misturam, há mais maneiras de arranjar duas vezes mais partículas na mesma temperatura de equilíbrio do que arranjar metade dessas partículas, cada uma, em duas temperaturas diferentes.
( Crédito : Htkym & Dhollm/Wikimedia Commons)

Mas o que poderia ocorrer, se você estivesse disposto a manipular essas partículas intrincadamente o suficiente, você poderia bombear energia suficiente no sistema para separar as partículas em quentes e frias, relegando um lado para conter todas as partículas quentes e o outro para conter todas as frias. Essa ideia foi apresentada há cerca de 150 anos e remonta à pessoa que unificou a eletricidade e o magnetismo no que hoje conhecemos como eletromagnetismo: James Clerk Maxwell. É conhecido, na linguagem comum, como o demônio de Maxwell.



Imagine que você tem esta sala cheia de partículas quentes e frias, e há um divisor central, mas as partículas estão distribuídas uniformemente em ambos os lados. Só que há um demônio controlando o divisor. Sempre que uma partícula quente vai se chocar contra o divisor do lado “frio”, o demônio abre um portão, deixando a partícula quente passar. Da mesma forma, o demônio também permite que partículas frias passem do lado “quente”. O demônio tem que colocar energia no sistema para que isso aconteça, e se você considerar o demônio como parte do sistema caixa/divisor, a entropia total ainda aumenta. No entanto, apenas para a caixa/divisor, se você ignorar o demônio, verá a entropia desse sistema de caixa/divisor cair.

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. No entanto, o demônio deve exercer energia para que isso aconteça, e a entropia geral do sistema caixa + demônio ainda aumenta.
( Crédito : Htkym/Wikimedia Commons)

Em outras palavras, manipulando o sistema adequadamente de fora, o que sempre envolve bombear energia de fora do sistema para o próprio sistema, você pode fazer com que a entropia desse sistema não isolado diminua artificialmente.



A grande questão, antes mesmo de chegarmos ao Universo, é imaginar que junto com essas partículas quentes e frias, existe também um relógio dentro do sistema. Se você estivesse dentro do sistema, não tivesse conhecimento do demônio, mas visse o portão se abrindo e fechando rapidamente em vários lugares - aparentemente ao acaso - e experimentasse um lado da sala ficando mais quente enquanto o outro esfriava, o que você concluiria?

Pareceria que o tempo estava correndo para trás? Os ponteiros do seu relógio começariam a retroceder em vez de avançar? Parece-lhe que o fluxo do tempo se inverteu?



Nunca realizamos esse experimento, mas, até onde sabemos, a resposta deve ser “não”. Temos experimentado condições em que a entropia:

  • aumentou rapidamente,
  • aumentou lentamente,
  • ou permaneceu o mesmo,

tanto nos sistemas da Terra quanto no Universo como um todo, e até onde sabemos, o tempo continua sempre avançando na mesma velocidade de sempre: um segundo por segundo.

Um relógio de luz, formado por um fóton saltando entre dois espelhos, definirá o tempo para qualquer observador. Embora os dois observadores possam não concordar um com o outro sobre quanto tempo está passando, eles concordarão nas leis da física e nas constantes do Universo, como a velocidade da luz. Mais importante ainda, o tempo sempre parece correr para frente, nunca para trás.
( Crédito : John D. Norton/Universidade de Pittsburgh)

Em outras palavras, há uma flecha percebida do tempo e há uma flecha termodinâmica do tempo, e ambas sempre apontam na direção para frente. Isso é causalidade? Enquanto alguns, principalmente Sean Carroll, especulam que eles estão ligados de alguma forma, devemos lembrar que é pura especulação e que nenhum link foi descoberto ou demonstrado. Até onde sabemos, a seta termodinâmica do tempo é uma consequência da mecânica estatística , e é uma propriedade que surgiu para sistemas de muitos corpos. (Você pode precisar de pelo menos três.) A flecha do tempo percebida, no entanto, parece amplamente independente de qualquer coisa que a entropia ou a termodinâmica possam fazer.

O que acontece, se é que acontece alguma coisa, quando trazemos o Universo em expansão para a equação?

É verdade que, por todo o tempo desde (pelo menos) o quente Big Bang, o Universo vem se expandindo. Também é verdade que, embora o tempo seja linear, passando a essa taxa constante percebida de um segundo por segundo, a taxa na qual o Universo se expande não é. O Universo se expandiu muito mais rapidamente no passado, está se expandindo mais lentamente hoje e assíntota para um valor finito e positivo. Isso, até onde entendemos, significa que galáxias distantes que não estão gravitacionalmente ligadas a nós continuarão a recuar de nossa perspectiva, cada vez mais rápido, até que o que resta do nosso Grupo Local seja a única coisa restante que possamos acessar.

  grande crise Os destinos distantes do Universo oferecem uma série de possibilidades, mas se a energia escura for realmente uma constante, como os dados indicam, ela continuará seguindo a curva vermelha, levando ao cenário de longo prazo descrito aqui: do eventual calor morte do Universo. Se a energia escura evolui com o tempo, um Big Rip ou um Big Crunch ainda são admissíveis.
( Crédito : NASA/CXC/M. Weiss)

Mas e se este não fosse o caso? E se, como em algumas variantes teóricas da evolução da energia escura, a expansão continuasse a desacelerar, eventualmente parasse completamente, e então a gravidade fizesse com que o Universo se contraísse? Ainda é um cenário plausível, embora as evidências não apontem para isso e, se der certo, o Universo ainda poderá terminar em um Big Crunch em um futuro distante.

Agora, se você pegar um Universo em expansão e aplicar essa simetria anterior a ele - 'simetria de reversão de tempo' - você obterá um Universo em contração dele. O inverso da expansão é a contração; se você invertesse o tempo do Universo em expansão, obteria um Universo em contração. Mas dentro desse Universo, temos que olhar para as coisas que ainda estão acontecendo.

A gravitação ainda é uma força atrativa, e as partículas que caem (ou formam) uma estrutura ligada ainda trocam energia e momento por meio de colisões elásticas e inelásticas. As partículas normais de matéria ainda perderão momento angular e entrarão em colapso. Eles ainda sofrerão transições atômicas e moleculares e emitirão luz e outras formas de energia. Para ser franco, tudo o que faz a entropia aumentar hoje ainda fará a entropia aumentar em um Universo em contração.

Esta imagem, que representa a evolução do Universo em expansão, mostra o tempo fluindo junto com a expansão do nosso Universo. À medida que o tempo avança, a entropia aumenta. Até onde sabemos, se a expansão se invertesse, a entropia continuaria aumentando e o tempo continuaria fluindo para a frente.
( Crédito : NASA/GSFC)

Portanto, se o Universo se contrair, a entropia ainda aumentará. De fato, o maior fator de entropia em nosso Universo é a existência e formação de buracos negros supermassivos. Ao longo da história do Universo, nossa entropia aumentou cerca de 30 ordens de magnitude; o buraco negro supermassivo no centro da Via Láctea sozinho tem mais entropia do que todo o Universo tinha apenas 1 segundo após o Big Bang quente!

Não apenas o tempo continuaria avançando, até onde sabemos, mas o instante que precedeu o Big Crunch teria muito mais entropia do que o Universo no início do Big Bang quente. Toda a matéria e energia, sob essas condições extremas, começariam a se fundir à medida que todos os buracos negros supermassivos tivessem seus horizontes de eventos começando a se sobrepor. Se houvesse um cenário em que ondas gravitacionais e efeitos gravitacionais quânticos pudessem aparecer em escalas macroscópicas, seria esse. Com toda a matéria e energia comprimidas em um volume tão pequeno, nosso Universo formaria um buraco negro supermassivo cujo horizonte de eventos teria bilhões de anos-luz de diâmetro.

De fora de um buraco negro, toda a matéria em queda emitirá luz e sempre será visível, enquanto nada por trás do horizonte de eventos pode sair. Mas se foi você que caiu em um buraco negro, sua energia poderia ressurgir como parte de um Big Bang quente em um Universo recém-nascido; a conexão entre buracos negros e o nascimento de novos universos ainda é especulativa, mas é descartada por nossa conta e risco.
( Crédito : Andrew Hamilton, JILA, Universidade do Colorado)

O que é interessante sobre esse cenário é que os relógios funcionam de maneira diferente quando você está em um campo gravitacional forte: onde você está a distâncias pequenas o suficiente de uma massa grande o suficiente. Se o Universo voltasse a entrar em colapso e se aproximasse de um Big Crunch, inevitavelmente nos encontraríamos nos aproximando da borda do horizonte de eventos de um buraco negro e, ao fazê-lo, o tempo começaria a se dilatar para nós: estendendo nosso momento final em direção ao infinito. Haveria algum tipo de corrida ocorrendo quando caíssemos na singularidade central de um buraco negro e todas as singularidades se fundissem para levar ao fim final do nosso Universo em um Big Crunch.

O que aconteceria depois disso? O Universo simplesmente desapareceria, como um nó complicado que de repente foi manipulado de tal forma que se desfez? Levaria ao nascimento de um novo Universo, onde este Big Crunch levaria a outro Big Bang? Haveria algum tipo de corte, onde só chegaríamos tão longe no cenário de crise antes que o Universo se recuperasse, dando origem a algum tipo de renascimento sem atingir uma singularidade?

Essas são algumas das questões de fronteira da física teórica e, embora não saibamos a resposta, uma coisa parece ser verdade em todos os cenários: a entropia de todo o Universo ainda aumenta e o tempo sempre corre na direção para frente. Se isso não estiver correto, é porque há algo profundo que permanece indescritível para nós, ainda esperando para ser descoberto.

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