O tempo tem direção? Pesquisador do CBPF investiga uma das grandes questões da física

No Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), um grupo de pesquisa dedica-se ao estudo da gravitação quântica, área da física que busca unir duas das teorias mais importantes da ciência moderna: a Teoria da Relatividade Geral, que descreve a gravidade e o comportamento do universo em grande escala, e a mecânica quântica, que explica o funcionamento das partículas e dos fenômenos microscópicos.

Entre os novos pesquisadores do CBPF, está Leonardo Chataignier, da Coordenação de Cosmologia, Astrofísica e Interações Fundamentais (COSMO). Ele concentra seu trabalho em um dos grandes desafios da física teórica contemporânea: identificar quais aspectos dessa área poderão, no futuro, ser observados na prática, especialmente por meio do estudo do universo primordial – o cosmos em seus estágios mais iniciais de existência.

Leonardo Chataignier - Crédito: NCS/CBPF

Para tentar entender o universo nos seus primeiros instantes, é necessário verificar se essa teoria produz previsões que possam ser testadas por observações reais do cosmos. Na física quântica aplicada à gravidade é difícil definir o que é observável, o que pode ser medido na prática. A pesquisa, então, trabalha para construir essas grandezas observáveis rigorosamente e ver se elas deixam “marcas” na forma como o universo se comportou logo após o Big Bang – marcas que, talvez um dia, poderão ser detectadas com telescópios e outros instrumentos.

Mas para compreender o que essas “marcas” podem revelar, é preciso antes enfrentar uma questão que diz respeito a todos: o que é, afinal, o tempo?

A gravitação quântica e a seta do tempo

Você já se perguntou sobre sua percepção do tempo? Há um passado que flui em direção ao futuro? Existe uma seta do tempo que conduz fenômenos do universo? Será o tempo a criação de uma estrutura que nos induz a interpretar os fenômenos?

Na física do cotidiano, o tempo é pensado como algo fixo e universal, uma espécie de relógio externo que segue correndo enquanto todos os fenômenos acontecem. Essa concepção governou o imaginário científico – e da maioria das pessoas – por mais de duzentos anos e foi formalizada por Isaac Newton, que descreveu o tempo como absoluto e idêntico em qualquer lugar do universo. Ela conferia previsibilidade às leis da natureza e sustentava a ideia de que o passado é fixo, o presente é efêmero e o futuro ainda está por vir. O tempo newtoniano era linear, contínuo e absoluto, como uma seta que não se dobrava.

No início do século XX, essa concepção foi transformada por Albert Einstein. Ele demonstrou que o tempo não é absoluto nem universal: ele se dilata, se contrai e flui de maneira distinta conforme a velocidade da pessoa que observa e a intensidade do campo gravitacional ao qual ela está submetida. Com a relatividade geral, o tempo deixou de ser um pano de fundo imutável e passou a integrar a própria estrutura do universo, o chamado espaço-tempo, que pode se curvar e se deformar sob a ação da gravidade. O tempo se estica, é curvado pela matéria e pulsa dependendo de onde você está e o quão rápido se move. Ele é relativo ao ponto de vista.

Einstein, no entanto, não escreveu o capítulo final. A Mecânica Quântica mostrou que no campo do infinitamente pequeno, o tempo assume contornos ainda mais diversos: partículas parecem existir em superposições de estados, processos reversíveis desafiam a noção de uma seta temporal bem definida. Algumas das formulações mais avançadas da física teórica chegam a sugerir que o tempo, em escala fundamental, pode não existir como variável independente, emergindo, talvez, como uma propriedade coletiva e relacional da matéria em interação.

Como explica Leonardo Chataignier, se a gravidade também obedecer às leis da mecânica quântica, o próprio espaço-tempo pode assumir diferentes configurações, descritas em termos de probabilidades, e até mesmo o tempo deixa de ser uma referência fixa. Em vez de existir como um relógio universal independente do universo, o tempo passa a ser entendido como a relação entre mudanças de diferentes sistemas físicos.

“Em termos simples, medimos o tempo comparando transformações. Quando um pêndulo completa determinado número de oscilações, uma partícula percorre certa distância; quando o universo atinge um dado grau de expansão, um campo físico evolui de uma determinada maneira. O tempo, portanto, não seria uma entidade externa, mas uma forma de descrever como uma parte do universo muda em relação a outra”, destaca o pesquisador.

As consequências da pesquisa

Com pesquisadores na Alemanha e na Holanda, Chataignier vem desenvolvendo uma linha de pesquisa na qual o tempo clássico, sua direção e até a própria noção usual de probabilidades possam vir a emergir do estado quântico da gravitação e da matéria. Uma das grandes contribuições esperadas é explicar por que o tempo tem uma direção – por que nos lembramos do passado e não do futuro, e por que coisas quebradas não se reconstroem sozinhas. Como diz o próprio pesquisador:

“Não observamos um ovo quebrado voltando a se recompor! A ideia central é que a solução das equações da gravitação quântica pode levar a um estado entrelaçado, ou seja, que exibe correlações quânticas entre gravitação e matéria, no universo tardio, mas que se torna aproximadamente separável, ou sem correlações, no universo primordial. Com isso, as correlações quânticas cresceriam com a expansão do universo, o que poderia definir a direção do tempo do passado para o futuro. Um desafio atual dessa linha de pesquisa é a verificação cuidadosa desse crescimento de correlações para modelos realistas do universo primordial”.

Se o tempo não é uma referência externa e fixa, mas algo que emerge das relações entre partes do universo, uma consequência imediata é que o próprio ato de medir precisa ser repensado. Na física clássica, medir significa comparar um fenômeno com um padrão externo – um relógio, uma régua, um referencial estável. Mas se esse referencial faz parte do sistema que se quer descrever, a separação entre observador e universo começa a se dissolver. O que a pesquisa de Chataignier propõe é construir grandezas que façam sentido dentro dessa lógica: quantidades que possam ser medidas sem precisar de um ponto de vista externo ao cosmos.

Outra consequência diz respeito à memória e à irreversibilidade. Por que nos lembramos do passado e não do futuro? Por que os cacos de um ovo jamais se reúnem espontaneamente? A pesquisa sugere que essa assimetria não é uma lei imposta de fora, mas algo que emerge da própria evolução quântica do universo – e que cresce com ele.

Um universo sem começo absoluto

Essa não é, porém, a única abordagem desenvolvida no CBPF. O pesquisador Nelson Pinto atua nessa mesma fronteira há anos, desenvolvendo uma abordagem específica para a chamada cosmologia quântica – a tentativa de aplicar as leis quânticas para entender a origem e a evolução do universo como um todo. A teoria que ele utiliza como base tem uma ideia central: assim como um barco é guiado pelas ondas do mar, as partículas e os campos que compõem o universo seriam “guiados” por uma onda quântica que permeia tudo. Essa onda não é algo que podemos tocar ou ver diretamente, mas ela determinaria como o universo evolui ao longo do tempo.

O primeiro modelo analítico de universo com richocete cósmico (ou boucing), foi formulado, em 1979, pelo pesquisador emérito do CBPF, Mario Novello, orientador de doutorado de Nelson Pinto.

Uma das consequências mais surpreendentes dessa abordagem é que ela pode eliminar a necessidade de um Big Bang com início absoluto. No lugar disso, o universo teria passado por um ricochete cósmico: uma fase de contração que em algum momento se inverteu e deu início à expansão que observamos até hoje – como uma bola que cai, toca o chão e volta a subir.

Diagrama de expansão do universo - Crédito: NASA/WMAP Science Team

As perguntas feitas neste texto – sobre a natureza do tempo, sua direção e sua origem – não têm ainda respostas definitivas. No entanto, é justamente aí que reside o valor dessas pesquisas. Juntos, Leonardo Chataignier e Nelson Pinto investigam, por caminhos complementares, como o tempo, o espaço e a própria estrutura do universo podem emergir de uma realidade quântica mais profunda.

E o CBPF tem participação ativa nessa fronteira do conhecimento, aproximando algumas das perguntas mais antigas da humanidade daquilo que, no futuro, poderá ser testado experimentalmente.