Despeje o leite no café, e os redemoinhos e gavinhas do branco logo murcham. Em meia hora, a bebida esfria até a temperatura ambiente. Deixado por dias, o líquido evapora. Depois de séculos, a taça se desintegrará e, bilhões de anos depois, todo o planeta, o sol e o sistema solar se dispersarão. Em todo o universo, toda a matéria e energia estão se difundindo de pontos quentes como café e estrelas, finalmente destinados (depois de trilhões de anos) a se espalhar uniformemente pelo espaço. Em outras palavras, o mesmo futuro espera o café e o cosmos.
Essa propagação gradual de matéria e energia, chamada de “termização”, visa a flecha do tempo. Mas o fato de a seta do tempo ser irreversível, de modo que o café quente esfria, mas nunca se aquece espontaneamente, não está escrito nas leis subjacentes que governam o movimento das moléculas no café. Em vez disso, a termostatização é um resultado estatístico: é mais provável que o calor do café se espalhe no ar do que as moléculas de ar frio concentrem energia no café, da mesma forma que embaralhar um baralho de cartas aleatoriamente a ordem dos cartões e repetir embaralhamentos praticamente nunca irá reordená-los por terno e classificação. Uma vez que o café, a xícara e o ar atinjam o equilíbrio térmico, não mais flui energia entre eles, e nenhuma mudança adicional ocorre. Assim, o equilíbrio térmico em uma escala cósmica é apelidado de “morte térmica do universo”.
Mas, embora seja fácil ver onde a termofização leva (a café morno e a eventual morte por calor), é menos óbvio como o processo começa. “Se você começa longe do equilíbrio, como no universo primitivo, como a flecha do tempo emerge, começando pelos primeiros princípios?”, Disse Jürgen Berges, físico teórico da Universidade de Heidelberg, na Alemanha, que estuda esse problema há mais de uma década. .
Nos últimos anos, Berges e uma rede de colegas descobriram uma resposta surpreendente. Os pesquisadores descobriram as leis simples e “universais” que governam os estágios iniciais de mudança em uma variedade de sistemas que consistem em muitas partículas que estão longe do equilíbrio térmico. Seus cálculos indicam que esses sistemas – exemplos incluem o plasma mais quente já produzido na Terra e o gás mais frio e talvez também o campo de energia que teoricamente encheu o universo em sua primeira fração de segundo – começam a evoluir no tempo de uma maneira descrita pelo mesmo punhado de números universais, não importa em que consistem os sistemas.
As descobertas sugerem que os estágios iniciais da termização acontecem de uma maneira muito diferente do que vem depois. Em particular, os sistemas distantes do equilíbrio exibem um comportamento semelhante ao fractal, o que significa que eles parecem muito semelhantes em diferentes escalas espaciais e temporais. Suas propriedades são deslocadas apenas por um chamado “expoente de escala” – e os cientistas estão descobrindo que esses expoentes são freqüentemente números simples como 12 e ?13. Por exemplo, as velocidades das partículas em um instante podem ser reescalonadas, de acordo com o expoente de escala, para fornecer a distribuição das velocidades a qualquer momento mais tarde ou mais cedo. Todos os tipos de sistemas quânticos em várias condições extremas de partida parecem cair nesse padrão fractal, exibindo escala universal por um período de tempo antes da transição para a termização padrão.
“Acho esse trabalho empolgante porque extrai um princípio unificador que podemos usar para entender grandes classes de sistemas distantes do equilíbrio”, disse Nicole Yunger Halpern, física quântica da Universidade de Harvard que não está envolvida no trabalho. “Esses estudos oferecem esperança de que podemos descrever até mesmo esses sistemas complicados e complicados com padrões simples.”
Berges é amplamente visto como líder do esforço teórico, com uma série de artigos seminais desde 2008, elucidando a física da escala universal. Co-autor deu mais um passo nesta primavera em um artigo na Physical Review Letters que explorou o “pré-escalonamento”, o ramp-up para o escalonamento universal. Um grupo liderado por Thomas Gasenzer, de Heidelberg, também investigou o pré-escalonamento em um artigo do PRL em maio, oferecendo uma visão mais profunda do início do comportamento fractal.
Alguns pesquisadores estão agora explorando dinâmicas distantes do equilíbrio no laboratório, à medida que outros se aprofundam nas origens dos números universais. Especialistas dizem que o escalonamento universal também está ajudando a tratar de questões conceituais profundas sobre como os sistemas quânticos são capazes de se tornar térmicos.
Há “progressos caóticos em várias frentes”, disse Zoran Hadzibabic, da Universidade de Cambridge. Ele e sua equipe estão estudando o dimensionamento universal em um gás quente de átomos de potássio-39, subitamente digitando a força de interação dos átomos e deixando-os evoluir.
Cascatas de Energia
Quando Berges começou a estudar dinâmicas distantes do equilíbrio, ele queria entender as condições extremas no início do universo quando as partículas que agora povoam o cosmos se originaram.
Essas condições teriam ocorrido logo após a “inflação cósmica” – a expansão explosiva do espaço que, segundo muitos cosmologistas, teria impulsionado o Big Bang. A inflação teria eliminado quaisquer partículas existentes, deixando apenas a energia uniforme do próprio espaço: um campo de energia perfeitamente suave, denso e oscilante conhecido como “condensado”. Berges modelou esse condensado em 2008 com os colaboradores Alexander Rothkopf e Jonas Schmidt, e eles descobriram que os primeiros estágios de sua evolução deveriam ter uma escala universal fractal. “Você descobre que, quando esse grande condensado decaiu nas partículas que observamos hoje, esse processo pode ser elegantemente descrito por alguns números”, disse ele.
Como surge a seta do tempo, começando pelos primeiros princípios?
Jürgen Berges
Para entender como esse fenômeno de escala universal se parece, considere um precursor histórico vívido das recentes descobertas. Em 1941, o matemático russo Andrey Kolmogorov descreveu o modo como a energia “cascata” através de fluidos turbulentos. Quando você está mexendo café, por exemplo, você cria um vórtice em uma grande escala espacial. Kolmogorov percebeu que esse vórtice geraria espontaneamente redemoinhos menores, que geram redemoinhos ainda menores. Enquanto você agita o café, a energia que você injeta no sistema desce em cascata pelas escalas espaciais em redemoinhos cada vez menores, com a taxa de transferência de energia descrita por um fator de decaimento exponencial universal de -53, que Kolmogorov deduziu das dimensões do fluido. .
A “lei 53” de Kolmogorov sempre pareceu misteriosa, embora servisse de base para a pesquisa sobre turbulência. Mas agora os físicos têm encontrado essencialmente o mesmo fenômeno de escala universal em cascata, semelhante a um fractal, em uma dinâmica distante do equilíbrio. Segundo Berges, as cascatas de energia provavelmente surgem em ambos os contextos porque são a maneira mais eficiente de distribuir energia através das escalas. Nós instintivamente sabemos disso. “Se você quiser distribuir seu açúcar em seu café, você o agita”, disse Berges – ao invés de abaná-lo. “Você sabe que é a maneira mais eficiente de redistribuir energia”.
Há uma diferença fundamental entre o fenômeno de escala universal em sistemas distantes do equilíbrio e os redemoinhos fractais em um fluido turbulento: No caso do fluido, a lei de Kolmogorov descreve a energia em cascata através das dimensões espaciais. No novo trabalho, os pesquisadores vêem sistemas distantes do equilíbrio passando por um escalonamento universal semelhante ao fractal, tanto no tempo quanto no espaço.
Tome o nascimento do universo. Após a insuflação cósmica, o condensado hipotético de preenchimento de espaço teria se transformado rapidamente em um campo denso de partículas quânticas, todas movendo-se com a mesma velocidade característica. Berges e seus colegas conjecturam que essas partículas distantes do equilíbrio exibem uma escala fractal governada por expoentes de escala universais à medida que iniciam a evolução térmica do universo.
De acordo com os cálculos da equipe e as simulações do computador, em vez de uma única cascata como a que você encontraria em um fluido turbulento, haveria duas cascatas, indo em direções opostas. A maioria das partículas no sistema teria diminuído de um momento para o outro, em cascata para velocidades mais lentas e mais lentas a uma taxa característica – neste caso, com um expoente escalável de aproximadamente ?32. Eventualmente eles teriam parado, formando outro condensado. (Este não iria oscilar ou se transformar em partículas; em vez disso, iria decair gradualmente.) Enquanto isso, a maioria da energia que deixa as partículas em desaceleração teria cascateado para algumas partículas que ganharam velocidade a uma taxa governada pelo expoente 12. Essencialmente Essas partículas começaram a se mover extremamente rápido.
As partículas rápidas teriam subseqüentemente decaído nos quarks, elétrons e outras partículas elementares que existem hoje. Essas partículas teriam sido submetidas à normalização padrão, espalhando-se umas às outras e distribuindo sua energia. Esse processo ainda está em curso no universo atual e continuará por trilhões de anos.
Simplicidade Ocorre
As ideias sobre o universo inicial não são facilmente testáveis. Mas por volta de 2012, os pesquisadores perceberam que um cenário distante do equilíbrio também surge em experimentos – quando núcleos atômicos pesados ??são esmagados à velocidade da luz no Relativistic Heavy Ion Collider em Nova York e no Large Hadron Collider da Europa. .
Essas colisões nucleares criam configurações extremas de matéria e energia, que então começam a relaxar em direção ao equilíbrio. Você pode pensar que as colisões produziriam uma bagunça complicada. Mas quando Berges e seus colegas analisaram as colisões teoricamente, encontraram estrutura e simplicidade. A dinâmica, Berges disse, “pode ??ser codificada em poucos números”.
Esses estudos oferecem esperança de que podemos descrever até mesmo esses sistemas complicados e confusos com padrões simples.
O padrão continuou. Por volta de 2015, depois de conversar com os experimentalistas que sondavam os gases atômicos ultracoldados no laboratório, Berges, Gasenzer e outros teóricos calcularam que esses sistemas também deveriam exibir escala universal após serem rapidamente resfriados a condições extremamente distantes do equilíbrio.
No outono passado, dois grupos – um liderado por Markus Oberthaler de Heidelberg e outro por Jörg Schmiedmayer do Centro de Viena para Ciência Quântica e Tecnologia – relataram simultaneamente na Nature que eles tinham observado a escala universal fractal na forma como várias propriedades dos 100.000 Ou seja, os átomos em seus gases mudaram no espaço e no tempo. “Novamente, a simplicidade ocorre”, disse Berges, que foi um dos primeiros a prever o fenômeno em tais sistemas. “Você pode ver que a dinâmica pode ser descrita por alguns expoentes de escalonamento e funções de escala universal. E alguns deles se revelaram o mesmo que o previsto para partículas no universo primitivo. Essa é a universalidade.
Os pesquisadores acreditam agora que o fenômeno de escala universal ocorre na escala nanocelvin de átomos ultracoldes, a escala de 10 trilhões de colisões nucleares e a escala de 10.000 trilhões de trilhões de graus Kelvin no início do universo. “Esse é o ponto da universalidade – que você pode esperar para ver esses fenômenos em diferentes escalas de energia e comprimento”, disse Berges.
O caso do universo primordial pode ter o interesse mais intrínseco, mas são os sistemas de laboratório altamente controlados e isolados que permitem aos cientistas eliminar as regras universais que governam os estágios iniciais de mudança. “Sabemos tudo o que está na caixa”, como Hadzibabic disse. “É esse isolamento do ambiente que permite estudar o fenômeno em sua forma pura”.
Um grande impulso foi descobrir de onde vêm os expoentes de escala dos sistemas. Em alguns casos, os especialistas traçaram os expoentes para o número de dimensões espaciais que um sistema ocupa, assim como suas simetrias – ou seja, todas as formas de transformá-las sem mudar (assim como um quadrado permanece o mesmo quando girado em 90 graus) ).
Essas percepções estão ajudando a resolver um paradoxo sobre o que acontece com as informações sobre o passado à medida que os sistemas se internalizam. A mecânica quântica exige que, à medida que as partículas evoluam, as informações sobre seu passado nunca sejam perdidas. E, no entanto, a termização parece contradizer isso: quando duas xícaras de café negligenciadas estão à temperatura ambiente, como você pode dizer qual delas começou mais quente?
Parece que à medida que um sistema começa a evoluir, detalhes chaves, como suas simetrias, são retidos e codificados nos expoentes escalonados que ditam sua evolução fractal, enquanto outros detalhes, como a configuração inicial de suas partículas ou as interações entre eles, tornam-se irrelevantes. ao seu comportamento, misturou-se entre suas partículas.
E esse processo de confusão acontece muito cedo, de fato. Em seus trabalhos, nesta primavera, Berges, Gasenzer e seus colaboradores descreveram independentemente o pré-redimensionamento pela primeira vez, um período antes da escala universal que seus trabalhos previam para colisões nucleares e átomos ultrafrios, respectivamente. O Prescaling sugere que quando um sistema evolui primeiro de sua condição inicial, longe do equilíbrio, os expoentes de escala ainda não o descrevem perfeitamente. O sistema mantém parte de sua estrutura anterior – remanescentes de sua configuração inicial. Mas, à medida que progride o escalonamento, o sistema assume uma forma mais universal no espaço e no tempo, essencialmente obscurecendo informações irrelevantes sobre seu próprio passado. Se essa ideia for confirmada por experimentos futuros, o pré-escalonamento pode ser o encaixe da flecha do tempo na corda do arco.
Publicado em 01/08/2019
Artigo original: https://www.quantamagazine.org/the-universal-law-that-aims-times-arrow-20190801/
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