De onde vem nossa flecha do tempo?

A história do Universo e a flecha do tempo. Crédito da imagem: NASA/GSFC.

O passado se foi, o futuro ainda não está aqui, apenas o presente é agora. Mas por que sempre flui do jeito que flui para nós?


Assim está escrito nosso tratado; assim é feito o acordo. O pensamento é a flecha do tempo; memória nunca se apaga. O que foi pedido é dado; o preço é pago.
Robert Jordan



Cada momento que passa nos encontra viajando do passado para o presente e para o futuro, com o tempo sempre fluindo na mesma direção. Em nenhum momento ele parece estar parado ou reverso; a seta do tempo sempre aponta para a frente para nós. Mas se olharmos para as leis da física – de Newton a Einstein, de Maxwell a Bohr, de Dirac a Feynman – elas parecem ser simétricas no tempo. Em outras palavras, as equações que governam a realidade não têm preferência por como o tempo flui. As soluções que descrevem o comportamento de qualquer sistema que obedece às leis da física, como as entendemos, são tão válidas para o tempo que flui para o passado quanto para o tempo que flui para o futuro. No entanto, sabemos por experiência que o tempo só flui em uma direção: para a frente. Então, de onde vem a flecha do tempo?





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. Crédito da imagem: usuários do Wikimedia commons MichaelMaggs e (editado por) Richard Bartz, sob uma licença c.c.a.-s.a.-3.0.

Muitas pessoas acreditam que pode haver uma conexão entre a flecha do tempo e uma quantidade chamada entropia. Embora a maioria das pessoas normalmente iguale desordem com entropia, essa é uma descrição bastante preguiçosa que também não é particularmente precisa. Em vez disso, pense na entropia como uma medida de quanta energia térmica (calor) poderia ser transformada em trabalho mecânico útil. Se você tem muita energia capaz de realizar trabalho potencialmente, você tem um sistema de baixa entropia, enquanto se você tem muito pouco, você tem um sistema de alta entropia. A segunda lei da termodinâmica é uma relação muito importante na física, e afirma 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 o lei da física que parece ter uma direção preferencial para o tempo.



Ainda de uma palestra sobre entropia de Clarissa Sorensen-Unruh. Crédito da imagem: C. Sorensen-Unruh do YouTube, via https://www.youtube.com/watch?v=Mz8IM7pWkok .



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? Alguns físicos pensam assim, e certamente é uma possibilidade. Numa interessante colaboração entre o Canal do MinutePhysics no YouTube e físico Sean Carroll, autor de A grande imagem , Da eternidade até aqui e um leque de flechas de entropia/tempo, eles tentam responder à pergunta de por que o tempo não flui para trás. Sem surpresa, eles apontam o dedo diretamente para a entropia.

É verdade que a entropia explica a flecha do tempo para vários fenômenos, incluindo por que café e leite se misturam, mas não se desfazem, por que o gelo derrete em uma bebida quente, mas nunca surge espontaneamente junto com uma bebida quente de uma bebida fria, e por que um ovo mexido cozido nunca se transforma em clara e gema não cozidas e separadas. Em todos esses casos, um estado de entropia inicialmente mais baixa (com mais energia disponível e capaz de fazer trabalho) mudou para um estado de entropia mais alta (e energia disponível mais baixa) à medida que o tempo avança. Há muitos exemplos disso na natureza, inclusive de uma sala cheia de moléculas: um lado cheio de moléculas frias e lentas e o outro cheio de moléculas quentes e rápidas. Basta dar um tempo e a sala estará totalmente misturada com partículas de energia intermediária, representando um grande aumento na entropia e uma reação irreversível.



Um sistema estabelecido nas condições iniciais à esquerda e deixado evoluir se tornará o sistema à direita espontaneamente, ganhando entropia no processo. Crédito da imagem: usuários do Wikimedia Commons Htkym e Dhollm, sob uma licença c.c.-by-2.5.

Exceto, isso não é irreversível completamente. Veja, há uma ressalva que a maioria das pessoas esquece quando se trata da segunda lei da termodinâmica e do aumento da entropia: refere-se apenas à entropia de um sistema fechado , ou um sistema onde nenhuma energia externa ou mudanças na entropia são adicionadas ou retiradas. Uma maneira de reverter essa reação foi pensada pela primeira vez pelo grande físico James Clerk Maxwell na década de 1870: basta ter uma entidade externa que abre uma divisão entre os dois lados da sala quando permite que as moléculas frias fluam para um lado e as moléculas quentes fluírem uma para a outra. Essa ideia ficou conhecida como O demônio de Maxwell , e permite que você diminua a entropia do sistema, afinal!



Uma representação do demônio de Maxwell, que pode classificar partículas de acordo com sua energia em ambos os lados de uma caixa. Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Htkym, sob uma licença c.c.a.-s.a.-3.0.



Você não pode realmente violar a segunda lei da termodinâmica fazendo isso, é claro. O problema é que o demônio deve gastar uma tremenda quantidade de energia para segregar as partículas assim. O sistema, sob a influência do demônio, é um abrir sistema; se você incluir a entropia do próprio demônio no sistema total de partículas, descobrirá que a entropia total, de fato, aumenta no geral. Mas aqui está o kicker: mesmo se você vivesse na caixa e não conseguisse detectar a existência do demônio - em outras palavras, se tudo que você fizesse fosse viver em um bolsão do Universo que viu sua entropia diminuir - o tempo ainda correria para tu. A seta termodinâmica do tempo não determina a direção em que percebemos a passagem 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. Imagem de domínio público.



Então onde é que o flecha do tempo que se correlaciona com a nossa percepção vem? Nós não sabemos. O que sabemos, no entanto, é que a flecha termodinâmica do tempo não é ela. Nossas medições de entropia no Universo conhecem apenas uma tremenda diminuição possível em toda a história cósmica: o fim da inflação cósmica e sua transição para o Big Bang quente. Sabemos que nosso Universo está indo para um destino frio e vazio depois que todas as estrelas queimam, depois que todos os buracos negros decaem, depois que a energia escura separa as galáxias não ligadas umas das outras e as interações gravitacionais expulsam os últimos remanescentes planetários e estelares ligados. . Este estado termodinâmico de entropia máxima é conhecido como a morte por calor do Universo. Curiosamente, o estado do qual nosso Universo surgiu – o estado de inflação cósmica – tem exatamente as mesmas propriedades, apenas com uma taxa de expansão muito maior durante a época inflacionária do que nossa atual época dominada pela energia escura levará.

A natureza quântica da inflação significa que ela termina em alguns bolsões do Universo e continua em outros, mas ainda não entendemos qual era a quantidade de entropia durante a inflação ou como ela deu origem ao estado de baixa entropia no início da inflação. o quente Big Bang. Crédito da imagem: E. Siegel, do livro Além da Galáxia.



Como acabou a inflação? Como a energia do vácuo do Universo, a energia inerente ao próprio espaço vazio, foi convertida em um banho termicamente quente de partículas, antipartículas e radiação? E o Universo passou de um estado de entropia incrivelmente alta durante a inflação cósmica para um estado de entropia mais baixa durante o Big Bang quente, ou foi a entropia durante a inflação ainda menor devido à eventual capacidade do Universo de fazer trabalho mecânico? Neste ponto, temos apenas teorias para nos guiar; as assinaturas experimentais ou observacionais que nos diriam as respostas a essas perguntas não foram descobertas.

Desde o fim da inflação e o início do Big Bang quente, a entropia sempre aumenta até os dias atuais. Crédito da imagem: E. Siegel, com imagens derivadas da ESA/Planck e da força-tarefa interagências DoE/NASA/NSF em pesquisa CMB. De seu livro, Além da Galáxia.

Nós entendemos a flecha do tempo de uma perspectiva termodinâmica, e isso é um conhecimento incrivelmente valioso e interessante. Mas se você quer saber por que ontem está no passado imutável, amanhã chegará em um dia e o presente é o que você está vivendo agora, a termodinâmica não lhe dará a resposta. Ninguém, na verdade, entende o que vai.


Esta postagem apareceu pela primeira vez na Forbes , e é oferecido a você sem anúncios por nossos apoiadores do Patreon . Comente em nosso fórum , & compre nosso primeiro livro: Além da Galáxia !

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