Relógios ópticos podem revelar a natureza quântica do tempo

Em meio a tantas variáveis da vida, existe um critério pelo qual a nossa existência é medida com rigor: o tempo.

Costumamos tratá-lo como algo rígido, contínuo e de mão única - como se a “flecha do tempo” seguisse sempre reta, e a nós restasse apenas acompanhar o seu curso.

Mas e se o tempo for mais maleável do que a nossa vivência sugere? E se ele esconder uma natureza quântica?

Um novo artigo científico descreve como relógios ópticos - um tipo extremamente preciso de relógio atómico que usa frequências de luz óptica, e não sinais de micro-ondas - poderiam servir para evidenciar a natureza quântica do tempo. Se isso se confirmar, abre-se um caminho para investigar com mais clareza o carácter enigmático do próprio tempo.

"Acontece que existem facetas mais profundas do tempo que ninguém jamais vivenciou, e que também nunca foram medidas", disse à ScienceAlert o físico Igor Pikovski, do Stevens Institute of Technology, nos EUA.

Do tempo absoluto de Newton ao tempo relativo de Einstein

Durante séculos, o tempo foi encarado como algo absoluto, no sentido definido por Sir Isaac Newton. Para ele, tratava-se de uma constante universal: um aspecto independente da realidade objectiva, imune a influências externas.

Depois veio Albert Einstein, mudando as regras do jogo com a relatividade. Os novos enquadramentos da física mostraram que o tempo é relativo e pode passar mais depressa ou mais devagar conforme o movimento e a gravidade.

"Não existe um tempo universal, e apenas aquilo a que chamamos 'tempo próprio': cada observador regista o seu próprio tempo, e ele pode diferir", explicou Pikovski.

"É com isso que trabalhamos: o fluxo do tempo muda com a velocidade e a posição. O 'paradoxo dos gémeos' é um exemplo típico do tempo relativístico segundo Einstein, em que um gémeo faz uma viagem de ida e volta num foguetão e, quando regressa, está mais novo do que o outro gémeo, que envelheceu mais por ter ficado na Terra."

A dilatação do tempo é um efeito relativístico e, portanto, bem compreendido.

O que ainda não foi testado: o tempo no regime quântico

O que ainda não foi investigado experimentalmente é como o tempo pode comportar-se num regime quântico - em escalas nas quais a relatividade, sozinha, já não basta para descrever o funcionamento do Universo, e a teoria quântica passa a ser indispensável.

Mesmo dentro da teoria quântica, porém, o tempo costuma ser tratado como um fenómeno clássico, avançando em linha recta ao fundo de tudo.

"Um dos desafios mais importantes da física moderna é encontrar uma teoria quântica da gravidade", afirmou Pikovski.

"Numa teoria assim, esperamos que muitos dos conceitos que hoje são clássicos - como tempo e gravidade - sejam descritos por algo fundamentalmente quântico. Por isso sabemos que o tempo, tal como o descrevemos hoje, não pode ser a história final: falta alguma coisa quando a teoria quântica entra em cena."

Relógios ópticos e a natureza quântica do tempo

No trabalho, Pikovski e os seus colegas propõem formas de usar relógios ópticos ultra-precisos - que “tic-tacam” no ritmo oscilante de átomos excitados por lasers - para explorar fenómenos temporais quânticos.

Entre as possibilidades estão a superposição temporal, na qual tempos sobrepostos podem existir simultaneamente, e o emaranhamento, em que tempo e movimento podem ficar interligados e passar a influenciar o comportamento um do outro.

"Emaranhamento e superposição são marcas registadas do comportamento quântico", disse Pikovski à ScienceAlert.

"O nosso trabalho mostra que até o próprio tempo poderia ter essas marcas quânticas, o que não é normalmente assumido na física quântica."

Na prática, isso poderia traduzir-se num único relógio a assinalar mais de um tempo ao mesmo tempo, separados por fracções inimaginavelmente pequenas - na ordem de intervalos de dezenas de attossegundos, algo que só um relógio atómico óptico teria precisão para medir.

Relógios atómicos já são suficientemente precisos para detectar efeitos minúsculos da relatividade, como a dilatação do tempo. Por exemplo: ao elevar um relógio apenas alguns centímetros acima da altura de outro, a diferença ínfima na gravidade da Terra entre os dois já basta para produzir um efeito de dilatação detectável nos registos.

Segundo o estudo de Pikovski e colegas, relógios ópticos podem ter precisão bastante para observar também efeitos quânticos.

O grupo sugere recorrer a uma técnica quântica conhecida como "compressão", capaz de amplificar flutuações muito pequenas num sistema. Aqui, ela poderia intensificar o comportamento quântico dos átomos dentro do relógio, tornando mais visíveis os efeitos estranhos sobre o tempo.

Alguns desses efeitos poderiam ser detectáveis com a tecnologia actual; outros, por enquanto, ainda seriam demasiado pequenos e frágeis. Mesmo assim, os que já estão ao alcance merecem ser perseguidos.

As abordagens propostas pelos investigadores podem fornecer as primeiras evidências experimentais de que o próprio tempo pode comportar-se de forma quântica.

Isso daria aos físicos uma nova maneira de explorar a intersecção entre a relatividade e o domínio quântico, além de oferecer novas pistas sobre a natureza do tempo.

"Acho que isso pode dar-nos pistas e dados experimentais sobre como as nossas noções quotidianas de realidade são enganadoras. A teoria quântica não é apenas bizarra; ela também implica uma estrutura fundamental do universo muito diferente, em desacordo com a experiência do dia a dia", disse Pikovski.

"Einstein observou de forma célebre: 'A Lua está lá quando ninguém olha?' Ele fez essa observação para destacar as previsões estranhas da mecânica quântica.

"Se o próprio tempo herdar essas características quânticas - isto é, se o tempo puder estar em superposição quando ninguém olha - isso, para mim, seria uma visão fascinante do funcionamento interno estranho da natureza e daria pistas sobre novas fronteiras da física fundamental."

O artigo foi publicado na Physical Review Letters.