O tempo pode não ser uma parte fundamental da realidade, sugerem físicos.

O tempo parece ser a característica mais básica da realidade. Os segundos passam, os dias seguem e tudo, desde o movimento planetário até a memória humana, parece se desenrolar ao longo de uma única direção irreversível. Nascemos e morremos, exatamente nessa ordem. Planejamos nossas vidas em torno do tempo, medimos ele obsessivamente e o experimentamos como um fluxo contínuo do passado para o futuro. Parece tão óbvio que o tempo avança que questioná-lo pode parecer quase inútil.

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E, no entanto, há mais de um século, a física tem lutado para dizer o que o tempo realmente é. Essa luta não é mera filosofia. Ela está no coração de alguns dos problemas mais profundos da ciência.

A física moderna depende de diferentes, mas igualmente importantes, estruturas teóricas. Uma delas é a teoria da relatividade geral de Albert Einstein, que descreve a gravidade e o movimento de grandes objetos, como planetas. Outra é a mecânica quântica, que governa o microcosmo dos átomos e partículas. E, em uma escala ainda maior, o modelo padrão da cosmologia descreve o nascimento e a evolução do universo como um todo. Todas dependem do tempo, mas o tratam de maneiras incompatíveis.

Quando físicos tentam combinar essas teorias em uma única estrutura, o tempo frequentemente se comporta de formas inesperadas e problemáticas. Às vezes ele se estica. Às vezes desacelera. Às vezes ele desaparece completamente.

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A teoria da relatividade de Einstein foi, de fato, o primeiro grande golpe contra nossa intuição cotidiana sobre o tempo. O tempo, mostrou Einstein, não é universal. Ele passa em velocidades diferentes dependendo da gravidade e do movimento. Dois observadores em movimento relativo discordarão sobre quais eventos aconteceram ao mesmo tempo. O tempo tornou-se algo elástico, entrelaçado com o espaço em um tecido quadridimensional chamado espaço-tempo.

A mecânica quântica tornou as coisas ainda mais estranhas. Na teoria quântica, o tempo não é algo que a teoria explica. Ele é simplesmente assumido. As equações da mecânica quântica descrevem como os sistemas evoluem em relação ao tempo, mas o próprio tempo permanece como um parâmetro externo, um relógio de fundo que fica fora da teoria.

Esse descompasso torna-se crítico quando físicos tentam descrever a gravidade no nível quântico, o que é crucial para desenvolver a tão desejada teoria de tudo – que conecta as principais teorias fundamentais. Mas, em muitas tentativas de criar tal teoria, o tempo desaparece completamente como parâmetro das equações fundamentais. O universo parece congelado, descrito por equações que não fazem referência a mudanças.

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Esse enigma é conhecido como o problema do tempo, e continua sendo um dos obstáculos mais persistentes para uma teoria unificada da física. Apesar dos enormes avanços na cosmologia e na física de partículas, ainda não temos uma explicação clara para o motivo pelo qual o tempo flui.

Agora, uma abordagem relativamente nova na física, baseada em uma estrutura matemática chamada teoria da informação, desenvolvida por Claude Shannon na década de 1940, começou a apresentar respostas surpreendentes.

Entropia e a seta do tempo

Quando físicos tentam explicar a direção do tempo, eles frequentemente recorrem a um conceito chamado entropia. A segunda lei da termodinâmica afirma que a desordem tende a aumentar. Um copo pode cair e se quebrar, mas os cacos nunca se juntam espontaneamente. Essa assimetria entre passado e futuro é frequentemente identificada como a seta do tempo.

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Essa ideia tem sido extremamente influente. Ela explica por que muitos processos são irreversíveis, incluindo o motivo de lembrarmos do passado, mas não do futuro. Se o universo começou em um estado de baixa entropia e está se tornando mais desordenado à medida que evolui, isso aparentemente explica por que o tempo avança. Mas a entropia não resolve completamente o problema do tempo.

Por um lado, as equações fundamentais da mecânica quântica não distinguem entre passado e futuro. A seta do tempo surge apenas quando consideramos grandes números de partículas e comportamento estatístico. Isso também levanta uma questão mais profunda: por que o universo começou em um estado de entropia tão baixa? Estatisticamente, existem mais maneiras de um universo ter alta entropia do que baixa, assim como existem mais formas de um quarto estar bagunçado do que arrumado. Então, por que ele começaria em um estado tão improvável?

A revolução da informação

Nas últimas décadas, uma revolução silenciosa, mas de grande alcance, ocorreu na física. A informação, antes tratada como uma ferramenta abstrata para registrar estados ou probabilidades, passou a ser reconhecida como uma quantidade física por si só, assim como matéria ou radiação. Enquanto a entropia mede quantos estados microscópicos são possíveis, a informação mede como interações físicas limitam e registram essas possibilidades.

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Essa mudança não aconteceu da noite para o dia. Ela surgiu gradualmente, impulsionada por enigmas na interseção entre termodinâmica, mecânica quântica e gravidade, onde tratar a informação apenas como matemática começou a produzir contradições.

Uma das primeiras fissuras apareceu na física dos buracos negros. Quando Stephen Hawking mostrou que buracos negros emitem radiação térmica, surgiu uma possibilidade perturbadora: a informação sobre tudo o que cai em um buraco negro poderia ser perdida permanentemente como calor. Essa conclusão entra em conflito com a mecânica quântica, que exige que toda informação seja preservada.

Resolver essa tensão forçou físicos a enfrentar uma verdade mais profunda. A informação não é opcional. Se queremos uma descrição completa do universo que inclua a mecânica quântica, a informação não pode simplesmente desaparecer sem minar os fundamentos da física. Essa constatação teve consequências profundas. Tornou-se claro que a informação tem custo termodinâmico, que apagá-la dissipa energia e que armazená-la exige recursos físicos.

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Paralelamente, surgiram conexões surpreendentes entre gravidade e termodinâmica. Foi demonstrado que as equações de Einstein podem ser derivadas de princípios termodinâmicos que ligam diretamente a geometria do espaço-tempo à entropia e à informação. Nessa visão, a gravidade não se comporta exatamente como uma força fundamental.

Em vez disso, a gravidade parece ser o que físicos chamam de “emergente” – um fenômeno que descreve algo maior do que a soma de suas partes, surgindo de constituintes mais fundamentais. Pense na temperatura. Todos conseguimos senti-la, mas, em nível fundamental, uma única partícula não pode ter temperatura. Ela não é uma característica fundamental. Surge apenas como resultado do movimento coletivo de muitas moléculas.

De forma semelhante, a gravidade pode ser descrita como um fenômeno emergente, surgindo de processos estatísticos. Alguns físicos chegaram a sugerir que a própria gravidade pode emergir da informação, refletindo como ela é distribuída, codificada e processada.

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Essas ideias convidam a uma mudança radical de perspectiva. Em vez de tratar o espaço-tempo como primário e a informação como algo que existe dentro dele, a informação pode ser o ingrediente mais fundamental do qual o próprio espaço-tempo emerge. Com base nessa linha de pesquisa, meus colegas e eu exploramos uma estrutura em que o próprio espaço-tempo atua como um meio de armazenamento de informação – e isso tem consequências importantes para a forma como vemos o tempo.

Nessa abordagem, o espaço-tempo não é perfeitamente suave, como sugere a relatividade, mas composto por elementos discretos, cada um com capacidade finita de registrar informação quântica de partículas e campos que passam por ele. Esses elementos não são bits no sentido digital, mas portadores físicos de informação quântica, capazes de reter memória de interações passadas.

Uma maneira útil de imaginá-los é pensar no espaço-tempo como um material feito de minúsculas células com memória. Assim como uma rede cristalina pode armazenar defeitos que surgiram anteriormente, esses elementos microscópicos podem reter vestígios das interações que passaram por eles. Eles não são partículas no sentido usual descrito pelo modelo padrão da física de partículas, mas uma camada mais fundamental da estrutura física sobre a qual a física de partículas opera.

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Isso tem uma implicação importante. Se o espaço-tempo registra informação, então seu estado atual reflete não apenas o que existe agora, mas tudo o que aconteceu antes. Regiões que passaram por mais interações carregam uma marca informacional diferente daquelas que passaram por menos. O universo, nessa visão, não evolui apenas de acordo com leis atemporais aplicadas a estados mutáveis. Ele se lembra.

Um cosmos que registra

Essa memória não é metafórica. Toda interação física deixa um traço informacional. Embora as equações básicas da mecânica quântica possam ser executadas para frente ou para trás no tempo, interações reais nunca acontecem isoladamente. Elas inevitavelmente envolvem o ambiente, espalham informação e deixam registros duradouros do que ocorreu. Uma vez que essa informação se espalha, recuperá-la exigiria desfazer não apenas um evento, mas todas as mudanças físicas que ele provocou. Na prática, isso é impossível.

É por isso que a informação não pode ser apagada e copos quebrados não se recompõem. Mas a implicação é ainda mais profunda. Cada interação grava algo permanente na estrutura do universo, seja na escala de átomos colidindo ou de galáxias se formando.

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A geometria e a informação estão profundamente conectadas nessa visão. Em nosso trabalho, mostramos que como o espaço-tempo se curva depende não apenas de massa e energia, como Einstein ensinou, mas também de como a informação quântica, especialmente o entrelaçamento, é distribuída. O entrelaçamento é um processo quântico que liga misteriosamente partículas em regiões distantes do espaço, permitindo que compartilhem informação apesar da distância.

Dessa perspectiva, a geometria do espaço-tempo não responde apenas ao que existe em determinado momento, mas ao que aconteceu. Regiões que registraram muitas interações tendem, em média, a se comportar como se tivessem curvatura mais intensa e gravidade mais forte do que regiões que registraram menos.

Essa reformulação altera sutilmente o papel do espaço-tempo. Em vez de ser um palco neutro onde eventos acontecem, ele se torna um participante ativo. Ele armazena informação, restringe dinâmicas futuras e molda como novas interações podem ocorrer. Isso levanta naturalmente uma questão mais profunda. Se o espaço-tempo registra informação, o tempo poderia emergir desse processo de registro em vez de ser assumido desde o início?

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O tempo surgindo da informação

Recentemente, estendemos essa perspectiva informacional ao próprio tempo. Em vez de tratá-lo como um parâmetro fundamental, mostramos que a ordem temporal emerge do registro irreversível de informação. Nessa visão, o tempo não é algo adicionado à física artificialmente. Ele surge porque a informação é escrita em processos físicos e, sob as leis conhecidas da termodinâmica e da física quântica, não pode ser globalmente apagada novamente.

Cada interação, como duas partículas colidindo, grava informação no universo. Essas marcas se acumulam. Como não podem ser apagadas, definem uma ordem natural dos eventos. Estados anteriores são aqueles com menos registros informacionais. Estados posteriores são aqueles com mais.

Equações quânticas não preferem uma direção do tempo, mas o processo de espalhamento da informação prefere. Depois que a informação se espalha, não há caminho físico de volta para um estado onde ela estava localizada. A ordem temporal, portanto, está ancorada nessa irreversibilidade.

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O tempo, nessa visão, não existe independentemente dos processos físicos. Ele é o registro cumulativo do que aconteceu. Cada interação adiciona uma nova entrada, e a seta do tempo reflete o fato de que esse registro só cresce.

O futuro difere do passado porque o universo contém mais informação sobre o passado do que jamais poderá conter sobre o futuro. Isso explica por que o tempo tem direção sem depender de condições iniciais especiais de baixa entropia.

Curiosamente, esse acúmulo de informação pode ter consequências observáveis. Em escalas galácticas, o resíduo informacional se comporta como um componente gravitacional adicional, moldando a rotação das galáxias sem invocar novas partículas. A substância desconhecida chamada matéria escura foi proposta para explicar por que galáxias giram mais rápido do que sua massa visível permitiria.

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No quadro informacional, essa atração gravitacional extra não vem de matéria escura invisível, mas do fato de que o próprio espaço-tempo registrou uma longa história de interações.

Desse ponto de vista, matéria escura, energia escura e a seta do tempo podem surgir de um único processo subjacente: o acúmulo irreversível de informação.

Testando o tempo

Mas poderíamos testar essa teoria? Ideias sobre o tempo são frequentemente acusadas de serem filosóficas e não científicas. Uma abordagem informacional, no entanto, faz previsões concretas e se conecta diretamente a sistemas observáveis.

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Buracos negros fornecem um campo natural de testes, pois parecem sugerir que a informação é apagada. No quadro informacional, esse conflito é resolvido ao reconhecer que a informação não é destruída, mas registrada no espaço-tempo antes de cruzar o horizonte.

Isso tem implicações importantes para o tempo. À medida que a matéria cai em um buraco negro, as interações se intensificam e o registro informacional acelera. O tempo continua avançando localmente porque a informação continua sendo escrita.

À medida que o buraco negro evapora pela radiação Hawking, o registro informacional acumulado não desaparece. Em vez disso, influencia como a radiação é emitida. A radiação deve carregar sinais sutis que refletem a história do buraco negro.

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Os mesmos princípios podem ser explorados em sistemas menores e controlados. Em experimentos com computadores quânticos, qubits podem ser tratados como células de informação de capacidade finita, semelhantes às do espaço-tempo. Pesquisadores mostraram que, mesmo quando as equações quânticas são reversíveis, a forma como a informação é registrada e espalhada pode gerar uma seta do tempo efetiva em laboratório.

Extensões desse mesmo quadro sugerem que o registro informacional pode atuar em todas as forças fundamentais da natureza, incluindo o eletromagnetismo e as forças nucleares.

O que o tempo realmente é

Ideias sobre informação não substituem a relatividade ou a mecânica quântica. Em condições cotidianas, o tempo informacional acompanha de perto o tempo medido por relógios. Para a maioria dos propósitos práticos, a visão familiar do tempo funciona muito bem.

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Perto de horizontes de buracos negros ou nos primeiros momentos do universo, a noção usual de tempo como coordenada suave se torna ambígua. O tempo informacional, por outro lado, permanece bem definido enquanto interações ocorrerem e informações forem registradas irreversivelmente.

Tudo isso pode levar você a se perguntar o que o tempo realmente é. Essa mudança reformula o antigo debate. A questão deixa de ser se o tempo deve ser assumido como ingrediente fundamental do universo, e passa a ser se ele reflete um processo mais profundo.

Nessa visão, a seta do tempo emerge naturalmente de interações físicas que registram informação e não podem ser desfeitas. O tempo não é um parâmetro misterioso separado da física. É algo que o universo gera internamente por meio de sua própria dinâmica. Ele não é, em última análise, uma parte fundamental da realidade, mas emerge de componentes mais básicos, como a informação.

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Se essa estrutura será a resposta final ou apenas um passo intermediário ainda será visto. Mas ela já sugere uma mudança impressionante de perspectiva.

O universo não simplesmente existe no tempo. O tempo é algo que o universo escreve continuamente em si mesmo.

Este artigo foi republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.

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