Mistérios da física moderna: o tempo

Comece seu estudo sobre a física do tempo com estas perguntas: O que é um relógio? O que significa dizer que "o tempo passa"? O que é a "seta do tempo"? Em seguida, observe o conceito de entropia e como ele é a chave para a direção unidirecional do tempo em nosso universo.

Abordar o tempo a partir de uma perspectiva filosófica. O "presentismo" sustenta que o passado e o futuro não são reais; somente o momento presente é real. Entretanto, as leis da física parecem apoiar o "eternalismo" - a visão de que todos os momentos da história do universo são igualmente reais.

Como medimos a passagem do tempo? Descubra que as preocupações práticas impulsionaram a busca por relógios cada vez mais precisos. No século XVIII, o problema de determinar a longitude foi resolvido com um relógio de precisão sem precedentes. As unidades de navegação GPS atuais dependem de relógios com precisão de um bilionésimo de segundo.

Embarque na busca pela compreensão do tempo. Por que existe uma seta do tempo? Explore como a memória e o envelhecimento nos orientam no tempo. Em seguida, observe os processos irreversíveis, como a quebra de um ovo ou o derretimento do gelo. Esses processos capturam a essência da direção unidirecional do tempo.

Trace a história da segunda lei da termodinâmica, considerada por muitos físicos como a única lei da física que provavelmente sobreviverá inalterada nos próximos mil anos. A segunda lei diz que a entropia - o grau de desordem em um sistema fechado - só aumenta ou permanece a mesma.

As leis da física de Isaac Newton são totalmente reversíveis; as partículas podem se mover para frente ou para trás no tempo sem nenhuma inconsistência. Mas essa não é a nossa experiência no mundo, onde a seta do tempo está fundamentalmente ligada a processos irreversíveis e ao aumento da entropia.

Explore os avanços da física desde a época de Newton que revelam exceções à regra de que as interações entre partículas em movimento são totalmente reversíveis. As reações irreversíveis entre partículas elementares poderiam explicar a seta do tempo? Avalie as evidências a favor e contra essa visão.

A mecânica quântica é a teoria mais precisa já inventada, mas leva a interpretações surpreendentes sobre a natureza da realidade. Investigue um estado quântico chamado colapso da função de onda que pode estar por trás da seta do tempo. As indicações de que ele mostra irreversibilidade são reais ou apenas ilusórias?

Depois de estabelecer que a seta do tempo deve ser devida à entropia, inicie uma exploração profunda desse fenômeno. Na década de 1870, o físico Ludwig Boltzmann propôs uma definição de entropia que explica por que ela aumenta em direção ao futuro. Analise essa ideia em detalhes.

Aprimore sua compreensão da entropia examinando diferentes sistemas macroscópicos e perguntando: qual tem maior entropia e qual tem menor entropia? Avalie também o famoso experimento mental de James Clerk Maxwell sobre um demônio que aparentemente desafia o princípio de que a entropia sempre aumenta.

Boltzmann explica por que a entropia será maior no futuro, mas não mostra por que ela era menor no passado. Saiba que a física não pode explicar essa diferença, exceto se presumir que o universo começou em um estado de entropia muito baixa. Essa suposição é chamada de hipótese do passado.

A física pode esclarecer os aspectos humanos da seta do tempo, como memória, causa e efeito e livre arbítrio? Saiba que as características cotidianas da experiência que você considera garantidas remontam ao estado de baixa entropia do universo no Big Bang, há 13,7 bilhões de anos.

Uma possível explicação para a ordem no universo é que ela é uma flutuação aleatória de um estado desordenado. O universo inteiro poderia ser uma dessas flutuações, agora em processo de retorno à desordem? Investigue um cenário chamado "cérebros de Boltzmann" que sugere que não.

Descubra que o demônio de Maxwell fornece a chave para entender como a complexidade e a vida podem existir em um universo no qual a entropia está aumentando. Considere como a vida não só é compatível com a segunda lei da termodinâmica e a flecha do tempo, mas também é uma consequência delas.

Volte-se para a maneira como os seres humanos percebem o tempo, que pode variar muito em relação ao tempo do relógio. Em particular, concentre-se em experimentos que esclarecem nosso senso de tempo. Por exemplo, os testes mostram que, embora pensemos que percebemos o momento presente, na verdade vivemos 80 milissegundos no passado.

Lembrar-se do passado e projetar-se no futuro são fundamentais para a consciência humana, como demonstram os casos em que essas faculdades são prejudicadas. Investigue o que acontece no cérebro quando lembramos, explorando diferentes tipos de memória e os fenômenos de falsas memórias e falsos esquecimentos.

De acordo com a teoria especial da relatividade de Einstein, não existe um momento no tempo espalhado pelo universo. Em vez disso, o tempo é uma das quatro dimensões do espaço-tempo. Saiba como essa visão "relativa" do tempo é diagramada de forma útil com cones de luz, representando o passado e o futuro.

Ao desenvolver uma teoria geral da relatividade que incorporava a gravidade, Einstein lançou uma revolução em nossa compreensão do universo. Veja como sua ideia de que a gravidade resulta da deformação do espaço-tempo levou à descoberta dos buracos negros e do big bang.

Use uma analogia simples para entender como uma máquina do tempo pode funcionar. Diferentemente dos cenários de filmes que apresentam desmaterialização e rematerialização, uma máquina do tempo real seria uma nave espacial que se move por todos os pontos intermediários entre dois locais no espaço-tempo. Explore também os paradoxos da viagem no tempo.

Stephen Hawking mostrou que os buracos negros emitem radiação e, portanto, têm entropia. Como a entropia no universo atual está predominantemente na forma de buracos negros e não havia buracos negros no universo primitivo, a entropia deve ter sido muito menor no passado profundo.

Acompanhe a história do universo desde logo após o Big Bang até o futuro distante, quando o universo consistirá em um espaço praticamente vazio com entropia máxima. Saiba o que é bem fundamentado e o que é menos certo sobre essa imagem de um universo em declínio.

Explore três maneiras diferentes de pensar sobre o Big Bang - como o início real do universo; como um "salto" de uma versão simétrica do universo do outro lado do big bang; ou como uma região que sofreu expansão inflacionária em um multiverso muito maior.

Aprofunde-se na possibilidade de que o Big Bang tenha se originado em um multiverso, o que fornece uma explicação plausível para o fato de a entropia ser baixa no big bang, dando origem à seta do tempo. Mas essa teoria e a ideia relacionada de um princípio antrópico são ciência legítima ou ficção científica?

Use o que você aprendeu para investigar uma série de possibilidades diferentes que explicam a origem do tempo no universo. O professor Carroll encerra apresentando uma de suas teorias favoritas e observando que ainda há muito a ser feito antes de resolver de forma conclusiva o mistério do tempo.