Por que o tempo nunca anda para trás

Por que o tempo não anda para trás? Por que nos lembramos do passado e não do futuro? Para um grupo de físicos, as respostas a estas questões profundas e complexas podem surgir a partir de uma fonte bastante familiar: a gravidade.

Mesmo que o tempo seja uma parte fundamental de nossa experiência, as leis básicas da física parecem não se importar em qual direção ele se move. Por exemplo, as regras que governam as órbitas dos planetas funcionam da mesma forma se você ir para a frente ou para trás no tempo. Você pode reproduzir os movimentos do sistema solar em sentido inverso e eles parecem completamente normais, sem violar qualquer lei da física. Então, o que distingue o futuro do passado?

“O problema da seta do tempo tem incomodado mentes desde sempre”, afirma Flavio Mercati, do Instituto Perimeter de Física Teórica em Waterloo, no Canadá.

A maioria das pessoas que já pensou sobre a “flecha do tempo” diz que ela é determinada pela entropia, a quantidade de desordem em um sistema (um sistema pode ser uma tigela de cereal ou o universo). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, a entropia total de um sistema fechado sempre deve aumentar. E o tempo parece viajar na mesma direção que a entropia.

Quando um cubo de gelo no seu copo derrete e dilui sua limonada, por exemplo, a entropia aumenta. Quando você faz um ovo mexido, a entropia aumenta. Ambos os exemplos são irreversíveis: você não pode refazer um cubo de gelo ou desmexer um ovo. A sequência de eventos – e assim o tempo também – segue somente em uma direção.

Se a seta do tempo acompanha o aumento da entropia, e se a entropia do universo está sempre aumentando, então isso significa que em algum momento no passado, a entropia deve ter sido baixa. É aí que reside o enigma: por que o universo estava em tal estado de baixa entropia?
De acordo com Mercati e os seus colegas, não houve este estado especial e inicial. Em vez disso, um estado que fica o tempo todo apontando para a frente surge naturalmente a partir de um universo ditado pela gravidade.

Para testar sua ideia, eles simularam o universo com uma coleção de 1.000 partículas que interagiam uma com a outra apenas pela gravidade, representando as galáxias e estrelas que flutuam em torno do cosmos.

Os pesquisadores descobriram que, independentemente de posições e velocidades iniciais, em algum momento, inevitavelmente, as partículas encontram-se agrupadas em uma bola antes de se dispersar novamente. Este momento de aglutinação é equivalente ao Big Bang, quando o universo inteiro estava espremido em um ponto infinitamente pequeno.

Em vez de usar a entropia, os investigadores descrevem o seu sistema com uma quantidade que eles chamam de “complexidade”, que define como mais ou menos a razão entre a distância entre as duas partículas mais distantes uma da outra e a distância entre as duas partículas mais próximas uma da outra. Quando as partículas são aglutinadas, a complexidade é a mais baixa.

A ideia-chave, Mercati explica, é que este momento de menor complexidade surge naturalmente do grupo de interação gravitacional – não são necessárias condições iniciais especiais. A complexidade, em seguida, aumenta à medida que as partículas se dispersam, representando a expansão do universo e o progresso para a frente do tempo.

Mas aqui vai a ideia que vai explodir a sua cabeça: os eventos que ocorrem antes das partículas se aglomerarem, isto é, antes do “Big Bang”, orientam uma segunda direção do tempo. Se você seguir para trás os eventos a partir deste ponto, as partículas irão se dispersar a partir da aglomeração. Como a complexidade está aumentando para trás neste sentido, esta segunda seta do tempo também aponta para o passado. O que, de acordo com este segundo sentido do tempo, é na verdade o “futuro” de outro universo que existe do outro lado do Big Bang.

Mostrar como a direção temporal vem de um sistema tão simples, que segue a física clássica, é uma grande novidade, diz o físico Steve Carlip, da Universidade da Califórnia (EUA).

Porém, uma grande limitação deste modelo é que ele é baseado unicamente na física clássica, ignorando a mecânica quântica. Também não inclui a teoria da relatividade geral de Einstein. Não há energia escura ou qualquer outra coisa necessária para modelar com mais precisão o universo. Mas os pesquisadores estão pensando em como incorporar física mais realista para o modelo, que poderia, então, fazer predições testáveis, diz Mercati. “Então, você realmente teria a natureza dizendo se você está certo ou errado”.

“Para mim, o maior problema é que há um monte de diferentes setas físicas de tempo”, aponta Carlip. A direção para a frente do tempo se manifesta de muitas maneiras que não envolvem gravidade. Por exemplo, a luz sempre irradia para longe de uma lâmpada, nunca em direção a ela. Um isótopo radioativo decai em átomos mais leves; você nunca vê o inverso. Por que uma flecha do tempo derivada da gravidade também empurraria outras flechas de tempo na mesma direção? Segundo Carlip, essa ainda é uma grande questão em aberto.

Fonte: Hypescience.

7 bizarros conceitos da física que todos devem conhecer

No dia-a-dia, conceitos básicos de física (como força, aceleração e pressão) não causam tanto espanto, nem soam absurdos. Quando mudamos para outros cenários, porém, as regras mudam: no mundo subatômico, por exemplo, partículas podem estar em dois lugares ao mesmo tempo, e só o fato de observá-las já altera seu estado; buracos negros podem conter a massa de uma estrela condensada em um único ponto; e para um objeto viajando à velocidade da luz, o tempo passa mais devagar.

Confira a seguir estas e outras ideias que fogem do que nós consideramos “normal” – mas que não causam tanto espanto em cientistas da área.

1 – Relatividade

O termo se refere a duas das mais famosas teorias da física, ambas propostas por Albert Einstein. Na primeira, divulgada em 1906, o físico demonstrou, por meio de uma série de cálculos, que a velocidade da luz é a maior que pode ser atingida por um corpo. Outra ideia defendida por Einstein foi a de que o tempo pode passar mais devagar (ou mais rápido) conforme a velocidade do observador.

Em 1916, ele publicou uma versão expandida dessas ideias, chamada de Teoria Geral da Relatividade. Desta vez, ele abordou também a questão da gravidade, que, segundo ele, seria uma distorção do espaço-tempo causada por objetos massivos. Essa teoria também prevê a existência dos estranhos buracos negros e ajuda a compreender a distorção sofrida pela luz ao atravessar galáxias (causada pela grande força gravitacional desses objetos).

2 – Mecânica Quântica

Átomos, todo mundo sabe, são extremamente pequenos. Partículas como prótons e elétrons, por sua vez, são ainda menores, tão pequenas que, em seu “mundo”, prevalece a Mecânica Quântica – proposta no começo do século 20.

Na escala subatômica, as partículas podem se comportar como ondas e podem estar em mais de um lugar ao mesmo tempo. É na Mecânica Quântica que estão outros conceitos curiosos, como “emaranhamento” e o “Princípio da Incerteza”.

3 – Teoria das Cordas

Essa teoria (que, por sinal, é estudada pelo personagem Sheldon Cooper, do seriado The Big Bang Theory) sugere que partículas não são pequenos pontos, mas dobras em objetos unidimensionais similares a cordas. A diferença entre as partículas seria a frequência com que as cordas vibram.

A Teoria das Cordas é uma tentativa de conciliar a Física Quântica e a Teoria Geral da Relatividade, além de uma possível base para a hipotética “Teoria do Tudo”, que, supostamente, será capaz de unir todos os conceitos físicos e explicar o universo.

4 – Singularidade

Na física, o termo se refere a um ponto em que tempo e espaço estão infinitamente curvados. Acredita-se que existem singularidades no centro de buracos negros (dentro dos quais, por exemplo, a massa de uma estrela pode estar condensada em uma região minúscula, ou mesmo em um único ponto) e, ainda, que o próprio Big Bang teria começado a partir de uma.

5 – Princípio da Incerteza

Formulado em 1927 pelo físico alemão Werner Heisenberg, o princípio seria uma das consequências da Mecânica Quântica e se refere à precisão máxima em que seria possível medir a localização e a velocidade de uma partícula subatômica.

Há dois fatores por trás da incerteza apontada pelo princípio: o primeiro é o de que a simples medição de algo (no caso, uma partícula) já afeta este objeto; o segundo é o fato de que o mundo quântico não é “concreto”, mas baseado em probabilidades, dificultando a medição do estado de uma partícula.

6 – Gato de Schrödinger

Esse termo se refere a uma experiência teórica imaginada pelo físico austríaco Erwin Schrödinger em 1935, que demonstraria o quão estranha era a incerteza por trás da Mecânica Quântica.

Schrödinger propôs que se imaginasse um gato, preso em uma caixa junto com material radioativo. No experimento, haveria 50% de chance de que o material se deteriorasse, emitindo radiação e matando o gato, e 50% de chance de que o material não emitisse radiação e que o gato sobrevivesse.

De acordo com a física clássica, um desses cenários obrigatoriamente se tornaria realidade e poderia ser observado quando alguém abrisse a caixa. De acordo com a Mecânica Quântica, contudo, o gato não estaria nem vivo nem morto até que alguém abrisse a caixa e observasse (medindo e, portanto, afetando a situação).

7 – Emaranhamento

É um dos fenômenos mais conhecidos da Mecânica Quântica, no qual duas partículas, mesmo quando separadas por uma enorme distância, são afetadas mutuamente – ou seja, se uma se move, a outra se move na mesma direção.

O conceito perturbou o próprio Albert Einstein, que o chamou de “assombrosa ação a distância”. O emaranhamento já foi induzido em experimentos e cientistas esperam, algum dia, poder aproveitá-lo para criar computadores supervelozes.

Fonte: Hypescience.

Por que o bumerangue sempre volta?

Bumerangues não são coisas muito comuns em nosso dia a dia, mas todo mundo sabe que eles, quando arremessados, acabam sempre retornando para o mesmo lugar. Por que será que isso acontece?

História

O bumerangue é uma arma que possui um design incrível e que só pode ser feito por alguém que entenda muito de física, porém sua idade nos diz que ele deve ter sido inventado sem querer. O exemplar mais antigo encontrado até hoje data 20 mil anos, uma época em que os conhecimentos sobre física ainda eram precários.

O famoso Tutancâmon, que viveu no século 14 a.C., possuía sua própria coleção de bumerangues. Porém quem tornou essa arma bastante famosa foram os australianos, que a utilizavam em grande escala nas guerras antigas.

Como funciona

 

Se você pegar um pedaço qualquer de madeira e jogá-lo para frente, rapidamente ele cai no solo, só que um bumerangue mantem-se no ar por muito mais tempo, com mesma força aplicada nele. Como será que isso acontece?
Existem diversos tipos de bumerangues, o mais clássico é aquele em forma de V. Ele é formado por, basicamente, duas asas, iguais a de avião.

Por serem semelhantes às de aeronave, as asas do bumerangue tem um lado mais saliente e outro liso, fazendo com que o ar passe mais rápido pelo lado maior, o que gera um diferença de pressão. Essa diferença gera a sustentação, que é exatamente o que faz o avião voar e mantem o bumerangue mais tempo no ar.

Fazendo a volta

A primeira vez que uma pessoa pega um bumerangue na mão, normalmente tenta arremessá-lo de lado, mas para jogar ele da maneira correta tem que ser na vertical:

No bumerangue, algo bem estranho acontece, pois suas asas, apesar de estarem grudadas, giram em velocidade relativas diferentes, ou seja, existe uma delas que anda mais rápido em relação ao ar. Isso causa diversas repercussões nas forças que agem sobre ele, algo bastante complicado que, no fim, faz com que ele fique sempre inclinado para um dos lados.

Assim, somando a capacidade de cortar o ar como um avião e ter um embalo extra criado pelo seu próprio design, o bumerangue consegue voar bastante e como sempre está inclinado, ele acaba fazendo um arco perfeito e voltando para onde partiu!

Fonte: Minilua.

5 motivos pelos quais devemos estar em um multiverso

A teoria do multiverso prega que o universo em que vivemos não é o único que existe. Na verdade, nosso universo pode ser apenas um entre um número infinito de universos que compõem um “multiverso”.

Sei o que você está pensando: “aham, claro”. Embora a ideia realmente soe como algo saído da mais barata ficção científica, há uma física bastante razoável por trás dela.

Mais: não há apenas uma teoria que chega a um multiverso: diversas teses físicas independentes apontam para tal conclusão. Na verdade, alguns especialistas acreditam que é mais provável que existam universos ocultos, do que o contrário.

Confira as cinco teorias científicas mais plausíveis que sugerem que vivemos em um multiverso:

1 – Universos infinitos

     
Os cientistas não podem ter certeza sobre a forma do espaço-tempo, mas mais provavelmente, ela é plana (em oposição à esférica) e estende-se infinitamente. Se o espaço-tempo dura para sempre, então deve começar a se repetir em algum ponto, porque há um número finito de formas com as quais as partículas podem ser organizadas no espaço e no tempo.

Então, se você olhar longe o suficiente, encontrará uma outra versão de você – na verdade, versões infinitas de você. Alguns desses “gêmeos” estarão fazendo exatamente o que você está fazendo agora, enquanto outros estarão com uma roupa diferente esta manhã, e outros ainda terão carreiras e escolhas de vida totalmente diferentes.

Como o universo observável se estende apenas até onde a luz teve a chance de chegar nos 13,7 bilhões de anos desde o Big Bang (que seria 13,7 bilhões de anos-luz), o espaço-tempo além dessa distância pode ser considerado o seu próprio universo, separado do nosso. Deste modo, uma multiplicidade de universos deve existir, uns ao lado dos outros, em uma manta de retalhos gigante de universos.

2 – Inflação eterna

     

Além dos múltiplos universos criados por estender infinitamente o espaço-tempo, outros universos podem surgir a partir de uma teoria chamada “inflação eterna“. A inflação é a noção de que o universo se expandiu rapidamente após o Big Bang, inflando como um balão. Inflação eterna, proposta pela primeira vez pelo cosmólogo Alexander Vilenkin da Universidade Tufts, sugere que alguns bolsões no espaço pararam de inflar, enquanto outras regiões continuam a inflar, dando assim origem a muitos universos isolados em “bolhas”.

Assim, o nosso próprio universo, onde a inflação já acabou, permitindo que estrelas e galáxias se formassem, é uma pequena bolha em um vasto mar de bolhas no espaço, algumas das quais ainda estão inflando. E em alguns desses universos bolhas, as leis e constantes fundamentais da física podem ser totalmente diferentes do que são no nosso, tornando-os muito estranhos para nós.

3 – Universos paralelos

         

Outra ideia de multiverso que surge da teoria das cordas é a noção de universos paralelos que pairam fora do alcance do nosso, proposta por Paul Steinhardt da Universidade de Princeton (EUA) e Neil Turok do Instituto de Física Teórica em Ontário, Canadá. Vem da possibilidade de muito mais dimensões existirem em nosso mundo, além das três de espaço e uma de tempo que nós conhecemos. Ou seja, mais do que nosso próprio mundo tridimensional, outros espaços tridimensionais podem flutuar num espaço de dimensão superior.

O físico Brian Greene da Universidade de Columbia (EUA) descreve a ideia como a noção de que “o nosso universo é apenas um dos potencialmente numerosos mundos flutuantes em um espaço de dimensão mais elevada, bem como uma fatia de pão dentro de um grandioso pão cósmico”.

Uma variação desta teoria sugere que esses universos não são sempre paralelos e fora de alcance. Às vezes, eles podem bater um no outro, causando repetidos Big Bangs que redefinem os universos novamente.

4 – Universos filhos

      

A teoria da mecânica quântica, que reina sobre o pequeno mundo das partículas subatômicas, sugere uma outra maneira na qual múltiplos universos podem surgir. A mecânica quântica descreve o mundo em termos de probabilidades, em vez de resultados definitivos. E a matemática desta teoria sugere que todos os resultados possíveis de uma situação realmente ocorrem – em seus próprios universos separados.

Por exemplo, se você chegar a uma encruzilhada onde você pode ir para a direita ou para a esquerda, o universo atual dá origem a dois universos “filhos”: um em que você vai para a direita, e outro no qual você vai para a esquerda. “E, em cada universo, há uma cópia sua assistindo um ou outro resultado, pensando – incorretamente – que a sua realidade é a única realidade”, diz Greene.

5 – Universos matemáticos

          

Os cientistas têm debatido se a matemática é simplesmente uma ferramenta útil para descrever o universo, ou se a matemática em si é a realidade fundamental – nesse caso, nossas observações do universo são apenas percepções imperfeitas de sua verdadeira natureza matemática.

Se este for realmente o caso, então talvez a estrutura matemática específica que compõe o nosso universo não é sua única opção. De fato, todas as possíveis estruturas matemáticas existem como seus próprios universos separados.

“A estrutura matemática é algo que você pode descrever de uma maneira que é completamente independente da bagagem humana”, disse Max Tegmark, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (EUA), que propôs esta ideia. “Eu realmente acredito que existe um universo lá fora que pode existir independentemente de mim, e que iria continuar a existir mesmo se não houvesse seres humanos”.

Bônus: como provar que o multiverso existe

A presença de um “multiverso”, ou seja, vários universos desconectados pode ser possível para explicar a quantidade enorme de energia escura que o nosso universo tem – um assunto polêmico que intriga cientistas do mundo (ou mundos) todo há tempos.

Cerca de 74% do universo parece ser feito de energia escura. Outros 22% parecem ser matéria escura, uma misteriosa forma de matéria que só podemos detectar observando sua força gravitacional. No fim, apenas 4% do nosso universo é composto por coisas que podemos ver e tocar; a matéria comum. Por que essa desigualdade?

Nenhuma outra teoria existente sobre o nosso universo consegue explicar tal fenômeno. Com a teoria do multiverso, essa quantidade de energia não só se torna explicável, como é inevitável.

Outros fenômenos, como a radiação cósmica de fundo e a expansão do universo, também levam a crer na existência de vários universos.

O problema é que ainda não temos como provar que estamos em um multiverso. Se daqui é difícil até encontrar outros planetas, quem diria um inteiro outro universo!

Para calcular como encontrar esse multiverso e como medi-lo, precisamos investir em probabilidades, tentar “chutar” quais serão as características principais dele (como a quantidade de energia escura que ele teria). Para calcular essas probabilidades, é preciso uma medida – uma ferramenta matemática que ajuda na definição dessas probabilidades. Mas encontrar essa medida quando o assunto é o multiverso é muito difícil. Seria como comparar infinitos. “Qual infinito é maior?” parece uma pergunta sem noção.

Nosso universo surgiu do Big Bang, provavelmente um choque entre um universo e outro, e há uma variedade de universos que pode ser produzida dessa forma. Poderíamos usar essas medidas para calcular as probabilidades. Mas aplicar isso na prática é outra história. O problema é que, pra funcionar mesmo, esses cálculos precisariam da quantidade inicial de vácuo no universo – e isso ainda é um mistério.

Segundo o famoso físico Stephen Hawking, uma outra forma de verificar o multiverso seria buscar características na radiação de fundo de micro-ondas que indicassem a colisão de outro universo com o nosso num passado distante.
A radiação cósmica de fundo (CMB, na sigla em inglês) que aparece no universo na frequência mais alta possível de micro-ondas deixa marcas no espaço-tempo. Segundo a teoria dos vários universos, essas marcas foram deixadas após a colisão dos vários universos ao longo de suas existências. Nosso próprio universo, portanto, poderia já ter colidido com um ou mais “vizinhos”.

Para que se possa entender esse mecanismo, os cientistas britânicos fizeram uma comparação com bolhas de sabão. Imagine que cada bolha de sabão é um universo, com suas próprias leis físicas de espaço-tempo. Quando duas bolhas de sabão encostam uma na outra, a área em que elas se tocam torna-se circular. Da mesma maneira, quando dois universos colidem, a radiação CMB resultante do choque também toma forma circular. Essa radiação circular, dessa forma, seria um sinal claro de que dois universos colidiram naquele ponto.

De fato, já foi possível observar a incidência de CMB circulares em certas áreas do espaço, que foram marcadas como indicativos dessa teoria. Não se conseguiu, entretanto, definir um padrão para o aparecimento dessas CMB, que continuam parecendo aleatórias.

O que se buscará a partir de agora, portanto, é ordenar as observações para fortalecer essa teoria. Um satélite da Agência Europeia Espacial, chamado Planck, está no espaço desde 2009, e em 2013 deverá ter respostas mais detalhadas sobre a nova teoria.

Fonte: Hypescience