Relógios ópticos podem revelar a natureza quântica do tempo

A vida está cheia de variáveis, mas há uma medida pela qual a nossa existência é contada de forma implacável: o tempo.

Tendemos a imaginá-lo como algo rígido, contínuo e de um só sentido - a chamada seta do tempo avançaria sempre em linha recta, e a nós restaria apenas segui-la.

Mas e se o tempo for menos fixo do que aquilo que a experiência quotidiana nos faz crer? E se, por baixo dessa aparência “clássica”, existir uma natureza quântica escondida?

Num novo artigo científico, um grupo de físicos descreve como relógios ópticos - uma categoria extremamente precisa de relógios atómicos que recorre a frequências ópticas de luz, em vez de sinais de micro-ondas - poderá servir para demonstrar características quânticas do tempo. Se isso for possível, abrir-se-á uma via para compreender melhor a própria natureza, ainda enigmática, do tempo.

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

O tempo: de Newton a Einstein

Durante séculos, prevaleceu a ideia de que o tempo era absoluto, tal como o definiu Sir Isaac Newton. Na visão newtoniana, o tempo seria uma constante universal: uma componente independente da realidade objectiva, imune a influências externas.

Depois surgiu Albert Einstein, introduzindo a relatividade e mudando o quadro. Os seus novos modelos de física mostraram que o tempo é relativo e que pode passar mais depressa ou mais devagar consoante o movimento e a gravidade.

"Não existe um tempo universal, e existe 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, ou seja, com o facto de o fluxo do tempo mudar com a velocidade e a posição. O 'paradoxo dos gémeos' é um exemplo típico do tempo relativista segundo Einstein, em que um gémeo faz uma viagem de ida e volta num foguetão e, quando regressa, é mais novo do que o outro gémeo, que envelheceu mais por ter permanecido na Terra."

A dilatação temporal é um efeito relativista e, por isso, está bem compreendido.

O que ainda falta: tempo no regime quântico

O que ainda não foi investigado de forma experimental é como o tempo se poderá comportar num regime quântico - em escalas onde a relatividade, por si só, já não chega para descrever o funcionamento do Universo e a teoria quântica passa a ser essencial.

Mesmo dentro da teoria quântica, contudo, o tempo costuma ser tratado como um elemento clássico: um “relógio” que avança em linha recta ao fundo do cenário.

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

"Numa teoria dessas, esperamos que muitos dos conceitos que de outra forma são 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 qualquer coisa quando a teoria quântica entra em cena."

Relógios ópticos e a possível natureza quântica do tempo

No artigo, Pikovski e os seus colegas avançam com propostas para usar relógios ópticos ultra-precisos - que “batem” ao ritmo oscilatório de átomos excitados por lasers - como ferramenta para sondar fenómenos temporais quânticos.

Entre as possibilidades discutidas estão a superposição temporal, em que tempos sobrepostos podem existir simultaneamente, e o entrelaçamento, no qual tempo e movimento podem ficar ligados de modo a influenciarem o comportamento um do outro.

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

"O nosso trabalho mostra que até o próprio tempo pode ter essas marcas quânticas, o que não é aquilo que normalmente se assume na física quântica."

Na prática, isto poderia traduzir-se num único relógio a assinalar mais do que um tempo ao mesmo tempo, separados por fracções incrivelmente pequenas - na ordem de intervalos de dezenas de attossegundos, uma escala que só um relógio atómico óptico tem precisão suficiente para distinguir.

Os relógios atómicos já são suficientemente exactos para medir efeitos diminutos da relatividade, como a dilatação do tempo. Por exemplo, se elevar um relógio apenas alguns centímetros acima do outro, a diferença minúscula na gravidade terrestre entre as duas alturas chega para criar um efeito de dilatação detectável nos próprios relógios.

De acordo com o trabalho de Pikovski e dos seus colegas, os relógios ópticos podem também ser precisos o bastante para observar efeitos quânticos.

Como tentar medir: amplificação de flutuações e limites actuais

A equipa sugere recorrer a uma técnica quântica conhecida como “compressão”, que pode ampliar flutuações extremamente pequenas num sistema. Neste contexto, a abordagem poderia reforçar o comportamento quântico dos átomos no interior do relógio, tornando mais visíveis os efeitos invulgares sobre o tempo.

Alguns destes efeitos poderão ser detectáveis com a tecnologia actual, ao passo que outros continuam demasiado pequenos e frágeis. Ainda assim, os fenómenos que já estão ao alcance justificam o esforço.

As metodologias propostas pelos investigadores podem vir a fornecer a primeira evidência experimental de que o próprio tempo pode comportar-se de forma quântica.

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

"Acho que isto pode dar-nos pistas e dados experimentais sobre como as nossas noções do dia-a-dia acerca da realidade são enganadoras. A teoria quântica não é apenas bizarra; ela também implica uma estrutura fundamental do universo muito diferente, que entra em conflito com a experiência quotidiana", afirmou Pikovski.

"Einstein comentou de forma célebre: 'A Lua está lá quando ninguém olha?' Fez este comentário para salientar as previsões estranhas da mecânica quântica.

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

O artigo foi publicado na revista Physical Review Letters.