Problema de tempo - Problem of time
Na física teórica , o problema do tempo é um conflito conceitual entre a relatividade geral e a mecânica quântica em que a mecânica quântica considera o fluxo do tempo como universal e absoluto, enquanto a relatividade geral considera o fluxo do tempo como maleável e relativo. Esse problema levanta a questão de o que o tempo realmente é no sentido físico e se é realmente um fenômeno real e distinto. Também envolve a questão relacionada de por que o tempo parece fluir em uma única direção, apesar do fato de que nenhuma lei física conhecida no nível microscópico parece exigir uma única direção. Para sistemas macroscópicos, a direcionalidade do tempo está diretamente ligada aos primeiros princípios , como a segunda lei da termodinâmica .
Tempo na mecânica quântica
Na mecânica clássica , um status especial é atribuído ao tempo no sentido de que é tratado como um parâmetro clássico de fundo, externo ao próprio sistema. Esse papel especial é visto na formulação padrão da mecânica quântica. É considerado parte de um contexto clássico dado a priori com um valor bem definido. Na verdade, o tratamento clássico do tempo está profundamente entrelaçado com a interpretação de Copenhague da mecânica quântica e, portanto, com os fundamentos conceituais da teoria quântica: todas as medições de observáveis são feitas em certos instantes de tempo e as probabilidades são atribuídas apenas a tais medições. .
A relatividade especial modificou a noção de tempo. Mas , do ponto de vista de um observador de Lorentz fixo , o tempo permanece um parâmetro distinto, absoluto, externo e global. A noção newtoniana de tempo é essencialmente transportada para sistemas relativísticos especiais, ocultos na estrutura do espaço - tempo .
Reviravolta do tempo absoluto na relatividade geral
Embora classicamente o espaço - tempo pareça ser um pano de fundo absoluto, a relatividade geral revela que o espaço-tempo é realmente dinâmico; a gravidade é uma manifestação da geometria do espaço-tempo. A matéria reage com o espaço-tempo:
O espaço-tempo diz ao assunto como se mover; a matéria diz ao espaço-tempo como curvar.
- John Archibald Wheeler , Geons, Black Holes, and Quantum Foam, p. 235
Além disso, o espaço-tempo pode interagir consigo mesmo (por exemplo, ondas gravitacionais). A natureza dinâmica do espaço-tempo tem uma vasta gama de consequências.
A natureza dinâmica do espaço-tempo, por meio do argumento do buraco , implica que a teoria é invariante ao difeomorfismo . As restrições são a impressão na teoria canônica da invariância do difeomorfismo da teoria quadridimensional. Eles também contêm a dinâmica da teoria, uma vez que o hamiltoniano desaparece de forma idêntica. A teoria quântica não tem dinâmica explícita; as funções de onda são aniquiladas pelas restrições e os observáveis de Dirac comutam com as restrições e, portanto, são constantes de movimento. Kuchar introduz a ideia de "perenes" e Rovelli a ideia de "observáveis parciais". A expectativa é que em situações físicas algumas das variáveis da teoria desempenhem o papel de um "tempo" em relação ao qual outras variáveis evoluiriam e definiriam a dinâmica de forma relacional. Isso esbarra em dificuldades e é uma versão do "problema do tempo" na quantização canônica.
Soluções propostas para o problema do tempo
O conceito quântico de tempo surgiu pela primeira vez nas primeiras pesquisas sobre gravidade quântica, em particular a partir do trabalho de Bryce DeWitt na década de 1960:
"Outras vezes são apenas casos especiais de outros universos."
Em outras palavras, o tempo é um fenômeno de emaranhamento , que coloca todas as leituras de relógio iguais (de relógios corretamente preparados - ou de quaisquer objetos utilizáveis como relógios) na mesma história. Isso foi compreendido pela primeira vez pelos físicos Don Page e William Wootters em 1983. Eles fizeram uma proposta para abordar o problema do tempo em sistemas como a relatividade geral, chamada de interpretação de probabilidades condicionais. Consiste em promover todas as variáveis para operadores quânticos, um deles como um relógio, e fazer perguntas de probabilidade condicional em relação a outras variáveis. Eles chegaram a uma solução baseada no fenômeno quântico do emaranhamento. Page e Wootters mostraram como o emaranhamento quântico pode ser usado para medir o tempo.
Em 2013, no Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM) em Torino, Itália, Ekaterina Moreva, juntamente com Giorgio Brida, Marco Gramegna, Vittorio Giovannetti, Lorenzo Maccone e Marco Genovese realizaram o primeiro teste experimental das ideias de Page e Wootters. Eles confirmaram que o tempo é um fenômeno emergente para observadores internos, mas ausente para observadores externos do universo, assim como a equação de Wheeler-DeWitt prediz.
A abordagem de discretizações consistentes desenvolvida por Jorge Pullin e Rodolfo Gambini não tem restrições. Estas são técnicas de aproximação de rede para gravidade quântica. Na abordagem canônica, se alguém discretiza as restrições e equações de movimento, as equações discretas resultantes são inconsistentes: elas não podem ser resolvidas simultaneamente. Para resolver esse problema, usa-se uma técnica baseada na discretização da ação da teoria e no trabalho com as equações discretas de movimento. Eles são automaticamente garantidos como consistentes. A maioria das questões conceituais difíceis da gravidade quântica está relacionada à presença de restrições na teoria. Teorias discretizadas consistentes estão livres desses problemas conceituais e podem ser quantizadas diretamente, fornecendo uma solução para o problema do tempo. É um pouco mais sutil do que isso. Embora sem constrangimentos e possuindo "evolução geral", esta última é apenas em termos de um parâmetro discreto e não acessível fisicamente. A saída é abordada de maneira semelhante à abordagem dos Page – Wooters. A ideia é escolher uma das variáveis físicas para ser um relógio e fazer perguntas relacionais. Essas idéias em que o relógio também é mecânico quântico levaram, na verdade, a uma nova interpretação da mecânica quântica - a interpretação de Montevidéu da mecânica quântica. Esta nova interpretação resolve os problemas do uso da decoerência ambiental como solução para o problema de medição em mecânica quântica ao invocar limitações fundamentais, devido à natureza da mecânica quântica dos relógios, no processo de medição em mecânica quântica. Essas limitações são muito naturais no contexto de teorias geralmente covariantes como gravidade quântica, em que o relógio deve ser considerado um dos graus de liberdade do próprio sistema. Eles também apresentaram essa decoerência fundamental como uma forma de resolver o paradoxo da informação do buraco negro . Em certas circunstâncias, um campo de matéria é usado para deparametrizar a teoria e introduzir um hamiltoniano físico. Isso gera evolução do tempo físico, não uma restrição.
Restrições de quantização de espaço de fase reduzidas são resolvidas primeiro e depois quantizadas. Esta abordagem foi considerada por algum tempo impossível, pois parece exigir primeiro encontrar a solução geral para as equações de Einstein. No entanto, com o uso de ideias envolvidas no esquema de aproximação de Dittrich (construído nas ideias de Rovelli) uma forma de implementar explicitamente, pelo menos em princípio, uma quantização de espaço de fase reduzida tornou-se viável.
Avshalom Elitzur e Shahar Dolev argumentam que experimentos de mecânica quântica, como o Quantum Liar, fornecem evidências de histórias inconsistentes, e que o próprio espaço-tempo pode, portanto, estar sujeito a mudanças que afetam histórias inteiras. Elitzur e Dolev também acreditam que uma passagem objetiva de tempo e relatividade pode ser reconciliada e que isso resolveria muitos dos problemas com o universo em blocos e o conflito entre a relatividade e a mecânica quântica.
Uma solução para o problema do tempo proposto por Lee Smolin é que existe um "presente denso" de eventos, em que dois eventos no presente podem estar relacionados causalmente um com o outro, mas em contraste com a visão do tempo do universo em bloco em que todo o tempo existe eternamente . Marina Cortês e Lee Smolin argumentam que certas classes de sistemas dinâmicos discretos demonstram assimetria e irreversibilidade do tempo, o que é consistente com uma passagem objetiva do tempo.
Tempo de Weyl na gravidade quântica invariante de escala
Motivado pela ambigüidade Immirzi na gravidade quântica em loop e pela invariância quase conformada do modelo padrão de partículas elementares, Charles Wang e colegas de trabalho argumentaram que o problema do tempo pode estar relacionado a uma invariância de escala subjacente dos sistemas gravidade-matéria. A invariância de escala também foi proposta para resolver o problema de hierarquia de acoplamentos fundamentais. Como uma simetria global contínua, a invariância de escala gera uma corrente Weyl conversada de acordo com o teorema de Noether . Em modelos cosmológicos invariantes de escala, esta corrente de Weyl naturalmente dá origem a um tempo harmônico. No contexto da gravidade quântica em loop, Charles Wang et al sugerem que a invariância de escala pode levar à existência de um tempo quantizado.
A hipótese do tempo térmico
Geralmente as teorias covariantes não têm uma noção de um tempo físico distinto em relação ao qual tudo evolui. No entanto, não é necessário para a formulação e interpretação completa da teoria. As leis dinâmicas são determinadas por correlações que são suficientes para fazer previsões. Mas então é necessário um mecanismo que explique como a noção familiar de tempo eventualmente emerge da estrutura atemporal para se tornar um ingrediente tão importante do mundo macroscópico em que vivemos, bem como de nossa experiência consciente.
A hipótese do tempo térmico foi proposta como uma possível solução para este problema por Carlo Rovelli e Alain Connes , tanto na teoria clássica quanto na quântica. Postula que o fluxo de tempo físico não é uma propriedade fundamental dada a priori da teoria, mas é uma característica macroscópica de origem termodinâmica.