Os cristais do tempo são uma mera curiosidade matemática ou podem realmente existir?

Desde que foi proposto em 2012 pelo Prêmio Nobel de Física Frank Wilczek, sua existência real tem sido objeto de debates árduos entre os físicos teóricos. Para Wilczek, essas estruturas hipotéticas teriam a capacidade de movimento perpétuo, uma vez que se moveriam continuamente em órbita circular, mesmo em seu estado de energia mínima, ou “estado fundamental”. Em teoria, nenhum objeto nesse estado tem energia suficiente para se mover.

Durante os anos que se seguiram à publicação desta ideia, outros pesquisadores propuseram vários argumentos para provar que a existência física de cristais de tempo é impossível.

Uma opinião que, em geral, a maioria dos físicos compartilha, já que se os cristais do tempo existissem na natureza, eles teriam propriedades realmente estranhas. Naturalmente, não seria possível extrair energia útil de um cristal de tempo, pois, ao interagir com eles, eles parariam. Mas, mesmo que não violassem a Segunda Lei da Termodinâmica, ainda violariam outra simetria fundamental das leis da física.

Apesar de tudo isso, uma equipe de pesquisadores da Universidade da Califórnia, Santa Barbara e da Estação Q da Microsoft (um laboratório de pesquisa que a gigante da tecnologia tem ao lado do campus da mesma universidade) acabaram de demonstrar, em um artigo publicado na Physical Review Letters, que os cristais do tempo poderiam realmente existir.

Para isso, os físicos se concentraram no que é mais surpreendente das implicações da existência de um cristal temporal, a, quebra espontânea de uma simetria fundamental chamada “simetria da tradução temporal”.

Nas palavras de Dominic Else, um dos autores do estudo, “aqui, a diferença fundamental é aquela entre uma ruptura explícita de uma simetria e a ruptura espontânea dessa mesma simetria. Se a simetria for quebrada de forma explícita, então as leis da própria natureza não terão mais essa simetria. Mas uma quebra espontânea de simetria significa que as leis da natureza continuariam a ter essa simetria, mesmo que a própria natureza tenha escolhido um estado que não a tenha.

Assim, se os cristais de tempo realmente causar quebra espontânea de simetria tradução temporária, as leis da natureza que governam não devem mudar ao longo do tempo, embora os mesmos cristais que se mudar.

Existe o fato de que, embora em muitos experimentos ao redor do mundo tenham sido observadas a quebra de virtualmente todas as simetrias que existem na natureza, ninguém ainda conseguiu observar uma quebra da simetria da tradução temporal.

Um exemplo espontâneo de simetria quebrada acontece em ímãs. As leis da natureza não impõem que uma extremidade específica do ímã seja o pólo norte e a outra o pólo sul. No entanto, qualquer material magnético quebra espontaneamente essa simetria e “escolhe” um determinado fim para ser o pólo norte. Outro exemplo é os cristais. Embora as leis da natureza não mudem (elas são invariantes) mesmo sob rotação ou movimento, os cristais quebram espontaneamente essas simetrias espaciais, uma vez que elas mudam de acordo com o ângulo a partir do qual elas são vistas ou quando estão em movimento.

Simetria quebrada

No novo estudo, física definir especificamente o que seria uma quebra espontânea da simetria de translação temporal e usar simulações de computador para prever se tal “simetria quebrada” poderia estar em uma categoria específica e ampla de sistemas quânticos (Floquet) que eles têm a particularidade de ficar longe do equilíbrio térmico o tempo todo, de modo que o sistema nunca esquenta.

A nova definição de quebra da simetria da tradução temporal é semelhante à de outras quebras de simetria. Basicamente, quando o tamanho de um sistema (tal como o vidro) aumenta, o tempo necessário para passar de um estado de quebra de simetria para o outro também aumenta, e em um sistema infinito estado simétrica nunca pode ser atingido. O que significa que a simetria é quebrada em todo o sistema.

“A importância do nosso trabalho – explica Bauer, um pesquisador na Estação Q Microsoft – é duplo: por um lado, isso mostra que a simetria de translação temporal, não está imune a ruptura espontânea. Por outro, aprofunda nossa compreensão de que sistemas que não estão em equilíbrio podem conter muitos estados interessantes de matéria que não podem existir em sistemas que estão em equilíbrio “.

De acordo com investigadores, que seria possível levar a cabo uma experiência para observar como a simetria de translação temporal é quebrado, utilizando um sistema extensivo de átomos aprisionados iões capturados ou supercondutores qbits para a fabricação de um cristal de tempo, e, em seguida, observar e medir a evolução de disse sistema. Os cientistas prevêem que este sistema exibirá um movimento oscilatório periódico que é característico dos cristais de tempo e indicativo da quebra da simetria temporal.

“Com a colaboração de outros grupos experimentais”, diz Chetan Nayak, outro dos autores do trabalho, “estamos explorando a possibilidade de criar cristais de tempo em gases atômicos muito frios”.

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