Por que o tempo avança para o futuro?

Por , em 7.05.2014

Quase nada é mais óbvio do que o fato de que o tempo flui do passado (que nos lembramos) para o futuro (que não temos). Os cientistas e os filósofos chamam isso de “seta psicológica do tempo”. O café quente deixado em sua mesa esfria, e nunca se aquece por conta própria, o que reflete a “seta termodinâmica do tempo”.

Em um trabalho publicado na revista “Physical Review E”, dois físicos argumentam que essas duas noções independentes de tempo – uma com base na psicologia e uma baseada na termodinâmica – sempre devem alinhar-se.

Os princípios da termodinâmica mostram que grandes coleções de partículas, como os trilhões de trilhões de moléculas de líquido em um copo de café, sempre se movem em direção a arranjos mais desorganizados. Por exemplo, as moléculas de água quente aglutinadas em uma sala fria precisam de muita organização, então bebidas quentes eventualmente esfriam até atingir a temperatura ambiente. Os físicos dizem que tais arranjos desorganizados têm alta entropia, enquanto arranjos organizados têm baixa entropia.

No entanto, as equações que os físicos usam para descrever os movimentos simultâneos de um grande número de partículas são igualmente válidas se o tempo corre para a frente ou para trás. Por isso, quase todo o complexo arranjo da matéria vai ganhar entropia não importa em que direção o tempo flua.

O nosso universo aparentemente começou com o Big Bang, que era uma combinação especial de baixa entropia. Isso dá origem a seta termodinâmica do tempo, conforme os cosmólogos observam, uma vez que o universo está evoluindo de um passado de baixa entropia para um futuro de maior entropia.

Todd Brun, físico da Universidade do Sul da Califórnia, em Los Angeles (EUA), afirma que ambas as setas do tempo são tão intuitivas que é difícil perceber a sua distinção.

No século passado, físicos e filósofos começaram a tentar unir as setas termodinâmica e psicológica. Muitos pesquisadores observaram que os objetos do mundo real que armazenam memórias – como os cérebros humanos e discos rígidos de computadores – muitas vezes aquecem conforme operam. A geração de calor aumenta a entropia e é um processo irreversível, por isso, as leis da termodinâmica exigem que tais objetos só possam ser executados em uma direção: do passado para o futuro.

Mas as lembranças não precisam gerar calor, apontam Brun e o físico Leonard Mlodinow, do Instituto de Tecnologia da Califórnia. Por exemplo, ondas na lagoa registram uma pedra caindo na água, e ainda poderiam, em princípio, fazer o sentido inverso. Os pesquisadores se perguntaram, tal memória poderia lembrar o futuro ao invés do passado?

Para responder a esta pergunta, Mlodinow e Brun conduziram o que é conhecido como um experimento de pensamento. Eles imaginaram um sistema em que uma câmara cheia de partículas quicando é ligada a uma câmara vazia quase do mesmo tamanho, por um túnel através do qual as partículas podem passar uma de cada vez – uma configuração de baixa entropia semelhante à concentração de matéria no início universo. Embora as partículas possam atravessar de um recipiente para o outro, a termodinâmica garante que, eventualmente, as duas câmaras vão conter números aproximadamente iguais de partículas.

Se um rotor está configurado para girar cada vez que uma partícula passa através do túnel, e cada volta do rotor é registrada, este registro iria mostrar o arranjo de partículas em qualquer momento no passado. Contudo, de acordo com as leis do movimento, as localizações futuras das partículas são completamente determinadas por suas trajetórias atuais, e se em algum momento o fluxo do tempo fosse invertido, as partículas iriam retornar à sua configuração inicial de baixa entropia. Assim, os autores escrevem que o rotor pode ser visto como uma gravação também do futuro do sistema – uma particularidade apontada mais de 200 anos atrás pelo matemático francês Pierre-Simon de Laplace.

Mas Mlodinow e Brun dizem que há um porém. Se fosse para ajustar apenas um pouco o estado futuro do sistema, alterando a posição ou a velocidade de uma ou mais partículas, e depois executá-lo na ordem reversa, o sistema já não diminuiria em entropia: aumentaria.

As partículas começariam a se mover como filme sendo reproduzido ao contrário, mas, em qualquer caso, exceto nos sistemas mais simples, as partículas alteradas logo colidiriam com as outras e causariam uma reação em cadeia. Qualquer registro do sistema em breve já não se assemelharia ao quadro correspondente do filme original.

Apenas a organização exata das partículas resultantes de um estado inicial de baixa entropia pode evoluir de trás para frente no tempo para chegar a um estado com um alto grau de ordem como esse, escrevem os autores. Mesmo reorganizações menores no sistema, não importa o quão semelhantes, irão, ao invés disso, evoluir de trás para frente em direção a maior entropia. Em outras palavras, para qualquer condição inicial, o rotor será capaz de “lembrar” apenas um futuro que não viola a seta termodinâmica do tempo.

Os pesquisadores argumentam que esta especificidade contradiz a definição de uma memória. Eles explicam que a memória deve ser capaz de incluir todas as maneiras pelas quais um sistema pode evoluir e não apenas uma em particular. Por exemplo, seu cérebro será capaz de gravar praticamente qualquer série de eventos que acontecem com você nas próximas três horas. Se fosse capaz de gravar apenas uma determinada série de eventos, como um velocímetro preso em uma velocidade, seu cérebro não teria uma memória funcional. Devido a esse requisito, até mesmo uma memória simples e reversível pode gravar apenas o passado termodinâmico e não o futuro.

Segundo Craig Callender, filósofo de física na Universidade da Califórnia em San Diego (EUA), com a sua experiência de pensamento, Mlodinow e Brun criaram uma definição nova e útil de uma memória. “É novo no sentido de que eles estão realmente construindo em uma condição para o que a memória seja”, afirma.

Lorenzo Maccone, da Universidade de Pavia (Itália), concorda que a pesquisa dos autores levanta um ponto importante, argumentando que mesmo uma memória reversível deve ter uma seta do tempo. Porém, ele acha que o experimento dos autores não descreve exatamente como o rotor iria gravar as futuras configurações das partículas. Sem tal descrição, Maccone alega não estar completamente convencido da explicação oferecida pela dupla.

Andreas Albrecht, cosmologista da Universidade da Califórnia em Davis (EUA), queria que os autores tivessem questionado as premissas por trás da seta termodinâmica do tempo. Em um artigo recentemente publicado no portal arxiv.org, Albrecht argumentou que pode haver maneiras de obter uma seta termodinâmica sem a necessidade de que toda a matéria do universo comece em uma combinação altamente incomum. Ao tomar esta combinação como um dado, Mlodinow e Brun teriam perdido uma oportunidade de explorar outras configurações iniciais possíveis. “[O estudo] aproxima-se tanto de questões [cosmológicas] incrivelmente interessantes e, em seguida, apenas passa por elas”, critica Albrecht. [Inside Science]

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