Medir o tempo aumenta entropia do Universo

Redação do Site Inovação Tecnológica - 11/05/2021

Esta descoberta afeta não apenas o entendimento do tempo, mas também tecnologias como GPS, computadores quânticos, relógios atômicos e muito mais.
[Imagem: Lancaster University]

Quanto mais quente o relógio, maior sua precisão

O que é o tempo tem sido um dos maiores enigmas enfrentados pelos filósofos desde tempos imemoriais - e, mais recentemente pelos cientistas.

Embora não sejam capazes de responder à questão - se é que ela poderá ser um dia respondida - os físicos encontraram uma maneira bem prática de lidar com ela, empregando o que hoje conhecemos como Segunda Lei da Termodinâmica.

Segundo essa abordagem, o nível de desordem do Universo - sua entropia - sempre aumenta, com as coisas ampliando seu nível de desordem em uma escala tal que é impossível reverter. Essa é a tal "seta do tempo", que explicaria porque sempre vamos do passado para o futuro, e nunca de volta.

Assim, medir o tempo seria unicamente uma questão de medir a entropia.

Esse ponto de vista acaba de receber um reforço experimental inédito, graças ao trabalho de Anna Pearson e colegas da Alemanha e do Reino Unido.

Anna bolou um experimento que demonstrou que, quanto mais energia um relógio consome, ou seja, quanto mais entropia ele gera, maior será sua precisão na marcação do tempo.

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Custo termodinâmico da medição do tempo

Para estabelecer essa ligação fundamental entre consumo de energia e precisão na medição do tempo, Anna construiu um relógio particularmente simples, constituído por uma membrana vibrante ultrafina, com algumas dezenas de nanômetros de espessura e 1,5 milímetro de comprimento, incorporada a um circuito eletrônico.

Quando a membrana é aquecida ela vibra, marcando o tique-taque do relógio, enquanto o fluxo completo de energia através do dispositivo é medido eletricamente pelo circuito.

O que Anna descobriu é que, quanto mais calor ela fornecia ao relógio, maior era a precisão alcançada na marcação do tempo. Na verdade, a precisão mostrou-se diretamente proporcional ao calor liberado - por exemplo, para tornar o relógio duas vezes mais preciso, é necessário fornecer o dobro de calor.

O experimento também mostra uma semelhança entre o funcionamento de um relógio e de uma máquina a vapor: Assim como acontece no motor termal, há uma restrição fundamental quanto à quantidade de calor que devemos fornecer para fazer uma quantidade desejada de trabalho.

Essa restrição é a famosa Segunda Lei da Termodinâmica, que é fundamental para a engenharia moderna. E o que este experimento sugere é que os relógios, assim como os motores, são limitados pela Segunda Lei, com a distinção de que sua saída são tiques precisos, em vez de trabalho mecânico.

"A disciplina da termodinâmica, que incorpora os princípios mais fundamentais da natureza, nos diz que existem dois tipos de máquina que não podemos operar sem liberar calor. Um é o motor mecânico, que libera calor para fazer trabalho, e o outro é a memória de computador, que libera calor ao se reescrever. Este experimento - em conjunto com outros trabalhos - sugere que os relógios também são limitados pela termodinâmica. Ele também levanta uma questão intrigante: Todos os relógios possíveis são limitados dessa forma, ou é apenas uma propriedade desses que estudamos?" ponderou o professor Edward Laird, membro da equipe.

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O que o experimento demonstra é que medir o tempo está sujeito às mesmas leis que fazer um motor funcionar.
[Imagem: A. N. Pearson et al. - 10.1103/PhysRevX.11.021029]

Aumentar a entropia do Universo

Compreender o custo termodinâmico envolvido na medição do tempo tem largas implicações teóricas e práticas.

Além de colocar mais uma peça no quebra-cabeças da questão sobre o que é o tempo, este resultado tem implicações diretas no desenvolvimento de tecnologias cujas dimensões se aproximam do reino quântico.

E não são só os relógios atômicos que terão que levar em conta esse eventual novo limite fundamental, mas todos os computadores eletrônicos e quânticos, para os quais temperatura de operação e precisão são fatores cruciais.

"Ao medir o tempo, estamos aumentando a entropia do Universo. Quanto mais entropia há no universo, mais perto ele pode estar de sua eventual extinção. Talvez devêssemos parar de medir o tempo," brincou a professora Natalia Ares, coordenadora da equipe. Mas a escala da entropia adicional imposta pelos relógios é tão pequena que não há necessidade de se preocupar, acrescentou ela.

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