Correlações quânticas invertem a seta do tempo

Antônio Murilo Macedo
08/12/2017

Ilustração artística da seta do tempo. [1]
Quando recebemos um copo de cerveja gelada e o colocamos na mesa sabemos que a cerveja espontaneamente esquentará com o tempo. Se alguém esbarrar na mesa e derrubar o copo no chão ele quebrará em vários pedaços e a cerveja vai se espalhar no chão. A ordem desses eventos nos parece tão natural que sequer paramos para pensar sobre o que estaria impedindo que eles ocorressem espontaneamente em ordem inversa. Suponha que um amigo tenha filmado tudo com o celular e ao receber o filme você decide assisti-lo de trás para frente. No início você sentirá uma sensação estranha, mas depois vai provavelmente rir do absurdo que seria a vida se o filme passado de trás para frente fosse possível no mundo real.

Parabéns, você acabou de descobrir a “seta do tempo”, uma das mais profundas consequências da segunda lei da termodinâmica. O termo seta do tempo é atribuído ao astrônomo inglês Arthur Eddington que o usou pela primeira vez em 1928 em seu livro “The Nature of the Physical World”. Essencialmente, a seta do tempo estabelece o sentido temporal natural para uma sequência de eventos na escala macroscópica. Se vemos um filme de um touro bravo entrando em uma loja de cristais, saberemos instintivamente se o filme está rodando no sentido correto ou de trás para frente. Ok, mas se a seta do tempo é uma consequência da segunda lei da termodinâmica, então não há nada que possamos fazer para invertê-la, pois as leis da termodinâmica estão acima de todas as outras, são leis pétreas da natureza, certo? Bem, é aqui que a mecânica quântica mais uma vez nos surpreende.

O conceito chave da segunda lei da termodinâmica é a entropia, que pode ser intuitivamente entendido como uma medida de desordem. A seta do tempo seria então uma das formas de enunciar a segunda lei da termodinâmica, mais especificamente, a seta indicaria o ordenamento dos eventos em sequência de estados de equilíbrio termodinâmico de modo que a entropia não diminui, ou seja, o sistema evolui espontaneamente para um estado mais desordenado (maior entropia). Uma forma muito elegante de formular a segunda lei da termodinâmica é usando o conceito de informação. Neste contexto, entropia seria uma medida da informação faltante para que pudéssemos fazer uma descrição microscópica detalhada e determinística da evolução do sistema. Para dar uma ideia do conceito de informação faltante, considere um sistema formado por uma moeda e 8 caixas colocadas lado a lado. A moeda está em uma das caixas, mas não sabemos qual. O número mínimo de questões binárias (do tipo sim ou não) que precisamos fazer para sabermos com certeza em que caixa a moeda está é exatamente a informação faltante neste problema. A estratégia vencedora identifica onde está a moeda com apenas 3 perguntas binárias, ou seja, a informação faltante é 3.

Na física quântica o conceito clássico de informação faltante é substituído pela noção de informação quântica faltante. A principal diferença entre os dois conceitos é que na versão quântica o estado de informação faltante nula não significa que podemos fazer uma descrição microscópica determinística do sistema, pois a aleatoriedade intrínseca dos eventos quânticos individuais não pode ser contornada. Isto, no entanto, não impede, em princípio, que a seta do tempo quântico aponte sempre na mesma direção da seta de tempo clássico. E de fato, isto é o que é observado corriqueiramente em experimentos. Todavia, a mecânica quântica permite correlações não locais que contribuem para a informação mútua entre dois sistemas de modo que, segundo previsões teóricas, consequências termodinâmicas não convencionais poderiam emergir, entre elas a inversão da seta do tempo.

Em um recente artigo, um grupo de pesquisadores de universidades do Brasil, Cingapura, Reino Unido e Alemanha [2] relataram a observação experimental da inversão da seta do tempo em um sistema quântico. No experimento, dois sistemas de spin ½ , ou qubits, são preparados em equilíbrio térmico local com temperaturas TA e TB de modo que TA > TB. Em seguida os sistemas são colocados em contato térmico e as energias internas de cada um e a informação mútua entre eles são monitoradas em função do tempo. Os sistemas de spin ½ eram núcleos de carbono e hidrogênio de uma amostra líquida de clorofórmio diluída em acetona, que foram controlados por técnicas de ressonância magnética nuclear. Quando o sistema foi preparado em conjunto com um estado inicial não correlacionado, calor fluiu espontaneamente de A para B, em conformidade com o sentido usual da seta do tempo. Ao introduzir correlação quântica no estado inicial, observou-se o oposto, ou seja, calor fluiu de B para A demonstrando a inversão da seta do tempo. Este processo inverso ocorreu paralelamente a uma diminuição da correlação inicial, sugerindo que a correlação quântica inicial seria uma espécie de combustível para a operação de um processo com seta de tempo invertida.

Podemos vislumbrar várias consequências interessantes deste experimento. Em primeiro lugar, ele demonstra de maneira enfática a intricada conexão entre mecânica quântica, termodinâmica e teoria da informação. Além disso, a observação de que a informação mútua entre qubits serve de recurso para o controle do fluxo local de calor pode ter importante impacto no desenvolvimento de dispositivos que operem no regime da termodinâmica quântica, como nanomotores moleculares e circuitos de nanoeletrônica. No âmbito conceitual, a noção de que a seta do tempo é um conceito relativo, sujeito a uma dependência das condições iniciais, é talvez a contribuição mais contundente e duradoura deste trabalho.

[1] Crédito da Imagem: Robert Couse-Baker (Flickr) / Creative Commons (CC BY 2.0). https://www.flickr.com/photos/29233640@N07/8730739154/.

[2] K Micadei et al. Reversing the thermodynamic arrow of time using quantum correlations. arXiv:1711.03323 [quant-ph] (2017).

Como citar este artigo: Antônio Murilo Macedo. Correlações quânticas invertem a seta do tempo. Saense. http://www.saense.com.br/2017/12/correlacoes-quanticas-invertem-a-seta-do-tempo/. Publicado em 08 de dezembro (2017).

Artigos de Antônio Murilo Macedo     Home

Publicado por

Antônio Murilo Macedo

Antônio Murilo Macedo

Doutor em Física. Professor da Universidade Federal de Pernambuco. Escreve sobre Informação Quântica no Saense.

Deixe uma resposta

O seu endereço de e-mail não será publicado. Campos obrigatórios são marcados com *