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? 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.
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 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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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