O que são cristais do tempo?

O que são e como funcionam os cristais do tempo? A resposta, novamente, está no estranho mundo da mecânica quântica.
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O nome “cristal do tempo” se parece bastante com algo digno de The Avengers ou de Doctor Who, mas os cristais do tempo em nada tem a ver com poderes mágicos de portais ou viagens no tempo. São um objeto físico real, mais especificamente, um estado exótico da matéria.

A estrutura da matéria, seus estados e propriedades são estudadas por um campo da física chamado de física da matéria condensada. Esse ramo estuda o comportamento da matéria com átomos unidos e em interação (o átomo individual é estudado na física atômica; partículas ainda menores, na física de partículas). Então, supercondutores, nanotecnologia, condensados de Bose-Einstein e outras matérias exóticas, e fenômenos esquisitos como a superfluidez… são todos assuntos estudados pela física da matéria condensada.

O que são cristais?

Os cristais, em termos gerais, são formações atômicas organizadas que formam o que chamamos de estrutura cristalina. Estruturas cristalinas são repetitivas no espaço, então, você tem um padrão que se repete nas três dimensões ao longo da estrutura do cristal.

O padrão repetitivo de um cristal de fluorita (CaF2).

Em um cristal convencional, essa estrutura é imóvel. Os átomos permanecem unidos nessa estrutura cristalina. Mas o cristal do tempo é um estado exótico da matéria onde a estrutura de seus estados quânticos se altera cíclica e espontaneamente, de forma previsível como um relógio, mesmo quando não há energia (como calor) sendo adicionada ao sistema.

Essas manifestações são observadas em temperaturas extremamente baixas. Em temperaturas tão baixas, a matéria não tem energia suficiente para se comportar normalmente, sendo dominada pelos efeitos da mecânica quântica. Por exemplo, o hélio líquido (abaixo de -254 °C) não tem viscosidade neste estado, então ele flui para cima para fora dos recipientes como o que é chamado de superfluido.

Por que os cristais do tempo são assim?

Na física, a simetria é um conceito crucial. “Simetria” significa que certas propriedades, ou comportamentos, de um sistema permanecem os mesmos após alguma mudança ou transformação. Por exemplo, se você tem uma bola e a gira, sua aparência permanece a mesma. O comportamento dos cristais do tempo, onde os átomos parecem oscilar ou se mover em um padrão repetitivo no tempo, é consequência de um conceito conhecido como quebra de simetria de translação do tempo.

NOTA: Alguns detalhes sobre simetria de calibre e transformações estão neste artigo.

A simetria de translação do tempo se refere à ideia de que as leis da física são as mesmas, não importa quando você as observa, ou seja, as regras fundamentais que regem o comportamento dos átomos são as mesmas ao longo do tempo. Você não esperaria que nenhum sistema tivesse um padrão de repetição no tempo porque o tempo deve ser uniforme e não ter pontos especiais, no entanto, certos sistemas podem quebrar essa simetria de translação do tempo em condições específicas, e os cristais de tempo são um exemplo disso.

O entrelaçamento quântico

Cristais de tempo requerem um grupo de átomos ou partículas que podem interagir e se entrelaçar uns com os outros. O entrelaçamento quântico significa que as propriedades de uma partícula estão ligadas às propriedades de outra, mesmo quando estão distantes.

Esses sistemas precisam de um “impulso” externo ou perturbação periódica, como um leve empurrão ou vibração, que é aplicado repetidamente aos átomos. A interação e o entrelaçamento quântico, combinados com uma influência externa, levam o sistema a perder sua simetria de translação. Essencialmente, o impulso externo se une às propriedades internas dos átomos de tal forma que eles começam a oscilar ou se mover em um padrão repetitivo.

Como os átomos estão em um sistema entrelaçado, a perturbação em um átomo faz outro átomo também “sentir” essa perturbação, que faz outro átomo, e outro, e outro, levando a um estado onde os átomos se perturbam de forma cíclica por tempo indeterminado.

Oscilação cíclica dos spins de um cristal do tempo.

O que é notável sobre os cristais do tempo é que, uma vez iniciado, esse padrão pode continuar indefinidamente, mesmo sem nenhuma influência externa adicional. É como se os átomos travassem em um ciclo autossustentável, sempre “tiquetaqueando” e se movendo sem qualquer entrada de energia adicional. Imagine que duas margens opostas em um lago estejam entrelaçadas. Quando uma onda gerada pela primeira margem atinge a margem oposta, essa primeira margem é perturbada novamente, gerando novas ondas.

O que é curioso sobre os cristais do tempo, é que você pode imaginar que isso seja uma espécie de movimento perpétuo e que isso quebraria a lei de conservação do momento. Sim, quebra. Você está correto, e por isso os cristais do tempo são tão misteriosos e os físicos teóricos são tão interessados neles.

Se há alguma utilidade para eles? No momento, nenhuma. As expectativas é que possam ser usados na computação quântica para armazenamento de informação, mas os cristais do tempo fazem parte das teorias recentes da física da matéria condensada (desde 2012, apenas, por Frank Wilczek), e ainda há muito o que estudar e aprender sobre eles.

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HOSTI, B. P. O que são cristais do tempo?. Espaço-Tempo, 2023. Disponível em: https://www.espacotempo.com.br/o-que-sao-cristais-do-tempo. Acesso em: 22 abr. 2024.

Brunno Pleffken Hosti

Professor. Graduado em Física pela Pontifícia Universidade Católica do Paraná (PUCPR). Extensão em Astrofísica pelo IAG/USP e pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC). Pesquisador nas áreas de astrofísica observacional e espectroscopia.

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