Relógios ópticos podem revelar a natureza quântica do tempo

Apesar de a vida estar cheia de variáveis, existe uma medida pela qual a nossa existência é contabilizada com rigor: o tempo.

Costumamos imaginá-lo como algo inflexível, contínuo e de mão única - a chamada seta do tempo seguiria em linha reta, e a nós caberia apenas acompanhar o seu percurso.

Mas e se o tempo for mais “maleável” do que a nossa vivência sugere? E se, por trás do que percebemos, ele esconder uma natureza quântica?

Num artigo recente, um grupo de físicos descreveu como relógios ópticos - um tipo extremamente preciso de relógio atómico que usa frequências de luz visível (ópticas) em vez de sinais de micro-ondas - poderia servir para evidenciar um comportamento quântico do tempo. Se isso se confirmar, pode abrir caminho para compreendermos melhor a própria essência, ainda enigmática, do tempo.

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

"De acordo com a teoria quântica, pode haver situações em que o tempo não avança simplesmente de modo uniforme, a uma única taxa. Em vez disso, existem 'muitos tempos em superposição', ou seja, ele passa a ritmos diferentes ao mesmo tempo.

"Na prática, isso significa que um único relógio registaria vários tempos distintos, e não apenas um, como estamos habituados. Isso nunca foi observado, mas mostramos que é algo que os relógios iónicos modernos poderiam agora detetar."

O tempo: de Newton a Einstein

Durante séculos, prevaleceu a ideia de que o tempo era absoluto, tal como definido por Sir Isaac Newton. Para ele, tratava-se de uma constante universal: um elemento independente da realidade objetiva, imune a influências externas.

Mais tarde, Albert Einstein alterou esse panorama ao introduzir a relatividade, desestabilizando a visão newtoniana. Nos seus novos modelos físicos, o tempo deixa de ser universal e passa a depender do movimento e da gravidade, podendo “correr” mais depressa ou mais devagar.

"Não existe 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 isto que trabalhamos, isto é, o facto de o fluxo do tempo mudar com a velocidade e com a posição. O 'paradoxo dos gémeos' é um exemplo típico do tempo relativístico segundo Einstein: um gémeo faz uma viagem de ida e volta num foguete e, quando regressa, está mais novo do que o outro gémeo, que envelheceu mais por ter permanecido na Terra."

A dilatação do tempo é um efeito relativístico e, por isso, está bem estabelecida.

Relógios ópticos e a hipótese de um tempo quântico

O que ainda não foi investigado de forma experimental é como o tempo se comportaria num regime quântico - em escalas nas quais a relatividade, sozinha, já não dá conta de descrever o funcionamento do Universo, e a teoria quântica passa a ser indispensável.

Mesmo dentro da física quântica, porém, o tempo costuma ser tratado como algo clássico, a “marcar” no pano de fundo em linha reta.

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

"Numa teoria assim, esperamos que muitos conceitos que hoje são tratados como clássicos, como o tempo e a 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."

No trabalho, Pikovski e os colegas apresentam formas de usar relógios ópticos ultra-precisos - que “ticam” ao ritmo das oscilações de átomos excitados por lasers - para explorar fenómenos temporais de natureza quântica.

Superposição temporal, emaranhamento e compressão quântica

Entre os alvos estão a superposição temporal, na qual tempos sobrepostos podem coexistir simultaneamente, e o emaranhamento, em que tempo e movimento podem ficar ligados de maneira a influenciar o comportamento um do outro.

"O emaranhamento e a superposição são marcas registadas do comportamento quântico", disse Pikovski à ScienceAlert.

"O nosso trabalho mostra que até o próprio tempo poderia exibir essas marcas quânticas, algo que normalmente não se assume na física quântica."

Em termos práticos, isso poderia traduzir-se num único relógio a indicar mais de um tempo ao mesmo tempo, com diferenças separadas por frações inimaginavelmente pequenas - na ordem de intervalos de dezenas de attossegundos, que apenas um relógio atómico óptico teria precisão suficiente para medir.

Os relógios atómicos já são capazes de medir efeitos minúsculos da relatividade, como a dilatação do tempo; por exemplo, se se elevar um relógio apenas alguns centímetros acima da altura de outro, a diferença ínfima na gravidade da Terra entre as duas posições já basta para produzir um efeito de dilatação detetável nos relógios.

Segundo os cálculos e as propostas de Pikovski e colegas, os relógios ópticos também podem atingir a precisão necessária para observar efeitos quânticos.

A equipa sugere empregar uma técnica quântica conhecida como compressão, que permite amplificar flutuações minúsculas num sistema. Aqui, ela poderia reforçar o comportamento quântico dos átomos dentro do relógio, tornando os efeitos estranhos sobre o tempo mais fáceis de ver.

Alguns desses efeitos podem ser observáveis com a tecnologia atual, enquanto outros continuam pequenos e frágeis demais. Ainda assim, os que já estão ao alcance valem o esforço.

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

Isso daria aos físicos um novo modo de investigar o ponto de encontro entre a relatividade e o domínio quântico, além de oferecer pistas novas sobre a natureza do tempo.

"Acho que isto pode dar-nos indícios 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 comentou, 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 observa - para mim isso seria um vislumbre fascinante do funcionamento interno e estranho da natureza, e daria pistas rumo a novas fronteiras da física fundamental."

O artigo foi publicado na Physical Review Letters.