Se o tempo é confuso, a ideia de causalidade pode estar em apuros

Uma coisa leva a outra?

A coisa sobre Gedankenexperimentar – ou experimentos de pensamento, para aqueles que acham que a língua nativa de Albert Einstein é muito tortuosa – é que você nunca sabe onde eles podem liderar. Para Einstein, eles levaram à teoria da relatividade. Para James Clerk Maxwell, eles conjuraram um demônio imaginário que poderia violar a segunda lei da termodinâmica. Para Erwin Schrödinger, eles criaram um gato existencialmente confuso que estava simultaneamente morto e vivo.

Os físicos gostam de conceber Gedankenexperimente porque são uma maneira de considerar idéias que não podem ser testadas de verdade, geralmente porque a tecnologia necessária ainda não está disponível ou sequer é considerada. Embora não seja um substituto para a verdadeira experimentação, um bom conhecimento de Gedanken pode apontar para conclusões que experimentos apropriados podem de fato testar. E, embora os famosos Gedankenexperimente mencionados acima sejam todos bastante antigos, a idéia de conduzi-los não saiu de moda nem perdeu sua ambição. De fato, alguns dos experimentos mentais mais recentes, realizados por um grupo de físicos quânticos liderados por Caslav Brukner, da Universidade de Viena, estão questionando a natureza de um dos aspectos fundamentais do universo, o próprio tempo.

Aquilo que acontece uma após a outra e que não há dúvida sobre qual veio primeiro, é intrínseco à noção de tempo do senso comum. Também foi intrínseco ao desenvolvimento da teoria da relatividade, o Gedankenexperimente para o qual muitas vezes dependem de relógios se movendo em relação um ao outro. Acrescente a teoria quântica à mistura e pense nas conseqüências, e as dúvidas começam a surgir sobre o que os eventos de ordem realmente estão acontecendo.

Vamos fazer o tempo distorcer novamente

O primeiro experimento mental que o grupo do Dr. Brukner apresentou, publicado no início deste ano na revista Proceedings of National Academy of Sciences , e dois de seus alunos, Esteban Castro Ruiz e Flaminia Giacomini, envolveu um relógio imaginário de grande precisão. A precisão com que tal relógio poderia ser lido é limitada pelo princípio da incerteza de Werner Heisenberg. Isso limita o quão bem pares de propriedades de qualquer sistema físico (como localização e velocidade) podem ser medidos. Quanto mais precisamente um membro de um par é conhecido, mais incerto é o valor do outro.

No caso de um relógio, o tempo que ele diz e a energia necessária para executá-lo formam um par de Heisenberg: quanto mais precisamente o relógio é lido, menos precisamente a quantidade de energia envolvida pode ser determinada. O resultado é que a energia do relógio está em um estado chamado superposição quântica. A energia em questão pode ser grande ou pequena, ao mesmo tempo – assim como o gato de Schrödinger está vivo e morto.

Como os relógios, quaisquer que sejam os detalhes específicos de seus mecanismos, são a única maneira pela qual o tempo pode ser medido, todo o conceito de tempo, portanto, torna-se confuso.

Neste ponto, a mecânica quântica e a relatividade colidem. Uma conseqüência das teorias de Einstein é que energia e massa são equivalentes. Isso significa que energia, como massa, tem uma atração gravitacional. Uma segunda consequência é que a gravidade altera o fluxo do tempo. Essa dilatação do tempo gravitacional é um fenômeno bem estabelecido. Os relógios atômicos mantidos em diferentes altitudes na Terra, por exemplo, ficam fora de sincronia um com o outro porque estão sujeitos a diferentes forças gravitacionais.

O Dr. Brukner e seus colegas observaram que, no caso de seu próprio relógio hipotético, a superposição quântica de seus estados de energia significa que os efeitos gravitacionais desses estados de energia também existem em uma superposição quântica. A dilatação do tempo criada por esses efeitos gravitacionais torna-se superposta também. Pior, um segundo efeito quântico, emaranhamento, significa que outros relógios dentro da influência gravitacional do primeiro também serão afetados pela superposição e, reciprocamente, afetarão o relógio original de maneira similar. Como os relógios, quaisquer que sejam os detalhes específicos de seus mecanismos, são a única maneira pela qual o tempo pode ser medido, todo o conceito de tempo, portanto, torna-se confuso.

Nem é o fim disso. Na esteira do papel do relógio, Brukner e seus colegas estão trabalhando em outro experimento de Gedanken . Isso investiga as conseqüências que a sobreposição de campos gravitacionais tem para a causalidade – a idéia de que um evento pode realmente ser dito para causar outro.

O sistema métrico

Além da equivalência massa-energia e dilatação do tempo gravitacional, um terceiro conceito que emerge da matemática da relatividade é algo conhecido como o campo métrico. Assim como a relatividade geral é uma extensão da teoria da gravidade de Isaac Newton, o campo métrico é a extensão relativista da idéia newtoniana de potencial gravitacional – a de que a força da interação gravitacional entre dois objetos depende da distância que separa esses objetos. A força da interação gravitacional em um campo métrico depende da distância entre os objetos. Mas, como a relatividade geral trata o tempo como uma quarta dimensão, equivalente às três dimensões do espaço, de um modo que a gravidade newtoniana não faz, a distância do campo métrico é medida no espaço e no tempo.

Segundo o Dr. Brukner, o experimento do relógio mostra que o campo métrico é outro fenômeno que está sujeito ao princípio de Heisenberg e, portanto, aos efeitos superpositivos. Como conseqüência, não é mais apenas a localização no espaço que se torna incerta, mas também a localização no tempo. Muitas vezes, portanto, não seria mais possível dizer qual dos dois eventos ocorreu primeiro.

O novo experimento de Gedanken que a equipe planejou para testar isso envolve um átomo gigante em uma superposição de dois estados de energia divergentes. Eles estão tentando calcular as conseqüências de tal objeto para o conceito de causalidade, ou seja, a idéia do evento A causando o evento B. Eles acreditam que, se os dois estados de energia do átomo forem suficientemente diferentes, será impossível dizer se A ou B vieram. primeiro, e a causalidade desaparecerá.

Embora, como todo Gedankenexperimente , este último não possa ser conduzido com as tecnologias experimentais atuais, todas as hipóteses por trás dele foram testadas no passado. Portanto, obedece tanto à mecânica quântica quanto à teoria da relatividade geral. Mas uma grande questão atrapalha. Se o Gedankenexperimente que levou à relatividade dependia de uma linearidade de tempo que a teoria em si está agora ajudando a questionar, pode-se confiar naqueles próprios experimentos mentais originais?

Este artigo apareceu pela primeira vez na seção de Ciência e Tecnologia do The Economist em 8 de junho de 2017.