Cristais do tempo são uma curiosidade matemática ou podem existir de verdade?

Cristais do tempo eram, até agora, apenas uma curiosidade matemática. O conceito, desenvolvido pelo vencedor do Prêmio Nobel Frank Wilczek, argumenta que esses objetos hipotéticos podem apresentar movimento periódico, como se mover em uma órbita circular, quando estão em seu estado de mais baixa energia, ou o seu “estado fundamental”.

Teoricamente, objetos em seus estados fundamentais não têm energia suficiente para se mover. Logo, pensava-se que a existência física desses cristais era impossível, devido às suas propriedades bizarras.

O impossível é só questão de… mais pesquisas

Apesar de cristais do tempo não poderem ser usados para gerar energia útil (uma vez que qualquer perturbação os faz parar de se mover), e não violarem a segunda lei da termodinâmica, eles violam uma simetria fundamental das leis da física e, portanto, não deveriam ser possíveis.

Entretanto, em um novo estudo, físicos da Universidade da Califórnia em Santa Barbara (EUA) e do laboratório Microsoft Station Q (que fica na Universidade) demonstraram que cristais de tempo podem existir fisicamente.

Para tanto, os pesquisadores se concentraram no fato de que esses cristais devem quebrar espontaneamente uma simetria fundamental da física, chamada de “simetria de translação do tempo”.

“A diferença crucial aqui é entre a quebra explícita de simetria e a quebra espontânea de simetria”, explica o coautor do estudo Dominic Else, da Universidade da Califórnia, ao portal Phys.org. “Se uma simetria é quebrada explicitamente, então as leis da natureza não têm mais a simetria, já a quebra espontânea de simetria significa que as leis da natureza têm uma simetria, mas a natureza escolhe um estado que não a tem”.

Exemplos

Se cristais do tempo realmente quebram espontaneamente a simetria de translação do tempo, então as leis da natureza que governam esses cristais não mudam com o tempo, mas são os cristais do tempo que mudam ao longo do tempo, devido ao seu movimento.

Embora isso nunca tenha sido observado antes, outros tipos de quebra espontânea de simetria já foram. Um exemplo comum ocorre em ímãs. As leis da natureza não impõem que lado de um imã será o polo norte e qual será o sul. A característica distintiva de qualquer material magnético, no entanto, é que ele espontaneamente quebra essa simetria e escolhe um lado para ser o polo norte.

Outro exemplo é o de cristais comuns. Embora as leis da natureza sejam invariantes sob espaço rotando ou mudando (translação), cristais espontaneamente quebram essas simetrias espaciais porque se parecem diferentes quando vistos de ângulos diferentes e quando se mexem um pouco no espaço.

Prova teórica

Em seu novo estudo, os físicos definiram especificamente o que seria necessário para quebrar espontaneamente a simetria de translação do tempo e, em seguida, usaram simulações para prever que esta quebra deve ocorrer em uma grande classe de sistemas quânticos chamada de “Floquet-many-body-localized driven systems”.

O aspecto chave destes sistemas é que eles permanecem longe do equilíbrio térmico em todos os momentos, de modo que não aquecem.

“A importância do nosso trabalho é dupla: por um lado, demonstra que a simetria de translação do tempo não é imune a ser espontaneamente quebrada”, disse a coautora da pesquisa, Bela Bauer, da Microsoft Station Q. “Por outro lado, aprofunda nosso entendimento que os sistemas de não equilíbrio podem hospedar muitos estados interessantes de matéria que não podem existir em sistemas equilibrados”.

De acordo com os físicos, deve ser possível realizar um experimento para observar a simetria sendo quebrada usando um grande sistema de átomos ou íons aprisionados, ou usando qubits supercondutores para fabricar um cristal do tempo, e depois medir como estes sistemas evoluem ao longo do tempo.

Os cientistas preveem que os sistemas exibirão o movimento periódico e oscilante característico de cristais do tempo, e indicativo de uma quebra espontânea da simetria de translação do tempo. [Phys]

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