Arrow of time

Coffee cools, buildings crumble, eggs break and stars fizzle out in a universe that seems destined to degrade into a state of uniform drabness known as thermal equilibrium. The astronomer-philosopher Sir Arthur Eddington in 1927 cited the gradual dispersal of energy as evidence of an irreversible “arrow of time.” 


But to the bafflement of generations of physicists, the arrow of time does not seem to follow from the underlying laws of physics, which work the same going forward in time as in reverse. By those laws, it seemed that if someone knew the paths of all the particles in the universe and flipped them around, energy would accumulate rather than disperse: Tepid coffee would spontaneously heat up, buildings would rise from their rubble and sunlight would slink back into the sun.

When two particles interact, they can no longer even be described by their own, independently evolving probabilities, called “pure states.” Instead, they become entangled components of a more complicated probability distribution that describes both particles together. It might dictate, for example, that the particles spin in opposite directions. The system as a whole is in a pure state, but the state of each individual particle is “mixed” with that of its acquaintance. The two could travel light-years apart, and the spin of each would remain correlated with that of the other, a feature Albert Einstein famously described as “spooky action at a distance.”
“Entanglement is in some sense the essence of quantum mechanics,” or the laws governing interactions on the subatomic scale, Brunner said. The phenomenon underlies quantum computing, quantum cryptography and quantum teleportation.
The idea, presented in his 1988 doctoral thesis, fell on deaf ears. When he submitted it to a journal, he was told that there was “no physics in this paper.” Quantum information theory “was profoundly unpopular” at the time, Lloyd said, and questions about time’s arrow “were for crackpots and Nobel laureates who have gone soft in the head,” he remembers one physicist telling him.
In the new story of the arrow of time, it is the loss of information through quantum entanglement, rather than a subjective lack of human knowledge, that drives a cup of coffee into equilibrium with the surrounding room. The room eventually equilibrates with the outside environment, and the environment drifts even more slowly toward equilibrium with the rest of the universe. The giants of 19th century thermodynamics viewed this process as a gradual dispersal of energy that increases the overall entropy, or disorder, of the universe. Today, Lloyd, Popescu and others in their field see the arrow of time differently. In their view, information becomes increasingly diffuse, but it never disappears completely. So, they assert, although entropy increases locally, the overall entropy of the universe stays constant at zero.


destaque 05112015

A seta do tempo é traduzida pelo transcorrer do tempo, que é sempre unidirecional e irreversível, indo do passado em direção ao futuro – e nunca em sentido contrário. Já a entropia tem a ver com a crescente desorganização do Universo, que nasceu simples, num ponto infinitamente pequeno, quente e denso, e começou a se expandir e se desorganizar a partir do Big Bang, formando nuvens de gás, galáxias, estrelas, planetas e, eventualmente, vida, num caminho sem volta. Peter Moon - Agência FAPESP

Um artigo recentemente publicado na revista Physical Review Letters detalha os resultados de um experimento pioneiro realizado por físicos brasileiros, irlandeses e alemães. Eles comprovaram, pela primeira vez, que a seta do tempo e sua relação intrínseca com o aumento da entropia também se manifestam em um sistema quântico isolado. Para isso, eles estudaram o comportamento do spin (propriedade magnética similar ao ímã ou a agulha de uma bússola) do núcleo de um único átomo, no caso, o isótopo carbono 13, numa molécula de clorofórmio.

No caso do experimento, o que se detectou foi um fenômeno semelhante em que as flutuações estão associadas com as chamadas transições entre estados quânticos do spin nuclear. Para ilustrar tal fenômeno imagine que você está parado segurando um pêndulo. Ele se move de um lado para o outro, certo? Agora digamos que você resolveu dar alguns passos em qualquer direção, sempre segurando o pêndulo em movimento. Ele continua se movendo de um lado para o outro, mas podem ocorrer pequenos movimentos laterais imperceptíveis, ou o pêndulo pode “tremer”, em função do seu caminhar.

Mas pra quê serve tudo isto? Quais as aplicações práticas de determinar a seta do tempo em nível quântico? “Nosso grupo de pesquisa tem sido pioneiro nos experimentos em Termodinâmica Quântica”, afirma um coautor da pesquisa, o físico Roberto Menezes Serra, da Universidade Federal do ABC, em Santo André. “Todo esse esforço é para compreender os fenômenos termodinâmicos em escala microscópica e quântica. Do ponto de vista prático queremos entender os limites da nova tecnologia quântica em microescala.”

Esta é uma das fronteiras da ciência atual. Espera-se, no longo prazo, que dela evoluam tecnologias como a dos computadores quânticos, com potencial muitas vezes superior à computação tradicional. Outro dividendo será a criptografia quântica com códigos invioláveis, cuja segurança pode ser garantida pelas leis da mecânica quântica. “Esta é uma das tecnologias que deverão dominar o cenário do século 21”.  Irreversibility and the Arrow of Time in a Quenched Quantum System (doi: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.115.190601) de T. B. Batalhão, R. M. Serra e outros, publicado pela Physical Review Letters e disponível em http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.115.190601 




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