Com informações da Physics World - 18/08/2012
Um cristal do tempo é um sistema que continua se movimentando mesmo isolado, sem depender de força externa, e em seu estado fundamental de energia. [Imagem: Cortesia iStockphoto/M-X-K]
Sobrevivendo ao fim do Universo
Imagine que a entropia finalmente triunfou e, embora o Universo ainda não tenha atingido seu "final definitivo", ele chegou a uma era chamada de "morte do calor", com uma temperatura homogênea - será muito frio por toda parte.
Ainda assim, pode ser possível construir um cristal que continuará "funcionando", sobrevivendo ao resfriamento cósmico - e eventualmente funcionando como uma memória pós-universo.
Essas estruturas exóticas, batizadas de "cristais espaço-temporais", poderão continuar girando de forma persistente, mesmo em seu nível mais baixo de energia, permitindo quebrar tanto a simetria espacial quanto a simetria temporal.
"A ideia está perigosamente próxima da de uma máquina de movimento perpétuo," admite Frank Wilczek, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, idealizador dos cristais do espaço-tempo, referindo-se ao lendário "moto contínuo".
O pesquisador ressalta, porém, que, atingindo seu estado fundamental de energia, esses cristais não poderiam ser usados para produzir trabalho útil, afastando-se da fronteira do irrealizável.
Contudo, eles exigiriam energia externa para serem parados. "Eles poderão gerar uma forma de movimento perpétuo, o que é um pouco assustador para alguém com alguma reputação em física."
Sobre a reputação, Wilczek foi um dos ganhadores do Prêmio Nobel de Física de 2004.
Frank Wilczek foi um dos ganhadores do Prêmio Nobel de Física de 2004 por resolver um dos mistérios da força forte, que mantém coesos os núcleos dos átomos. [Imagem: Nobel Institute]
Cristal quântico do tempo
Os cristais normais são formados por átomos ou moléculas organizados espacialmente em estruturas 3D, estruturas estas que se formam abaixo de uma determinada temperatura a fim de minimizar a energia potencial no interior do material.
Por outro lado, se a temperatura subir, os átomos têm a chance de existir em muitos outros estados desordenados, eventualmente se desorganizando completamente, quando o material se funde.
"Os cristais representam a vitória da energia sobre a entropia," explica Wilczek.
Mas tudo isso se refere à organização espacial do cristal.
Wilczek propõe a organização de um cristal no tempo - um cristal quântico do tempo, como ele o chama.
Diz-se que um cristal normal quebra a simetria espacial porque suas partículas constituintes se alinham em direções específicas, não ficando regularmente espaçadas, como quando o material é aquecido até sua fusão.
De forma análoga, quebrar a simetria temporal significa que as partículas terão que sofrer alterações sistemáticas ao longo do tempo.
Isso já acontece naturalmente, por exemplo, no Sistema Solar, ou nos relógios - mas Wilczek argumenta que esses sistemas foram colocados em movimento por forças externas, e irão eventualmente perder energia e parar.
O que ele propõe é um sistema que continue se movimentando mesmo isolado, sem depender de força externa, e em seu estado fundamental de energia. Terá sido criado, então, um cristal do tempo, ou cristal espaço-temporal.
Esquema de construção do cristal do tempo, com estruturas periódicas tanto no espaço quanto no tempo. As partículas ficarão rodando em uma direção mesmo em seu estado fundamental de energia. [Imagem: Li et al.]
Anel do tempo
A pergunta imediata é: como construir um cristal do tempo?
Wilczek fez todos os cálculos teóricos, e, ao procurar formas de torná-los realidade, pensou nos supercondutores, materiais que, embora estejam no seu estado mais baixo de energia, transmitem uma corrente elétrica.
Como a corrente elétrica não varia no tempo, Wilczek propôs usar um anel supercondutor, variando a supercorrente de forma a dar-lhe um pico temporal.
Matematicamente ele demonstrou que funciona, mas o pesquisador não conseguiu vislumbrar uma forma de fazer isso na prática, porque exigiria que os elétrons, todos sempre com carga de mesmo sinal, reagissem de forma diferente uns em relação aos outros em um momento determinado, para criar uma espécie de quebra-molas quântico, gerando uma variação na corrente.
Tongcang Li e seus colegas da Universidade de Berkeley leram o artigo, acharam que a ideia não é assim tão estranha, e conseguiram idealizar uma forma de construir efetivamente um cristal espaço-temporal.
Sua proposta é aprisionar íons a temperaturas muito baixas, explorando sua repulsão mútua para que eles se arranjem sozinhos para formar o anel.
Segundo o grupo, o anel seria muito similar a um cristal normal. Por meio de ajustes precisos de um campo magnético, que deve assumir determinados valores ao longo do anel, pode ser possível fazê-lo girar continuamente em seu estado mais baixo de energia.
Em outras palavras, ele se tornaria um cristal espaço-temporal.
O grupo calcula que, para construir um cristal do tempo com 0,1 milímetro de comprimento, serão necessários 100 átomos de berílio, resfriados a 1 bilionésimo de kelvin. Quanto maior o anel, mais baixa é a temperatura necessária.
A tecnologia de armadilhas iônicas ainda não é tão precisa, mas os pesquisadores afirmam que isso é uma questão de tempo, e eles próprios mostram-se interessados em conseguir construir o primeiro cristal do tempo.
"Este trabalho está explorando novos estados da matéria, e poderá levar a direções inesperadas." [Imagem: Frank Wilczek]
Aplicações do cristal do tempo
E para que serviria um cristal do tempo?
Xiang Zhang, um dos autores da proposta da armadilha de íons, acredita que uma estrutura dessas "dará uma nova dimensão para a exploração da física de muitos corpos e de propriedades emergentes da matéria".
Isso incluiria a quebra de simetria, como a que parece ter dado massa a todas as partículas quando o Universo se expandiu e esfriou.
Wilczek vai um pouco mais longe, e afirma que os cristais do tempo terão aplicações práticas, embora ela não saiba dizer quais: "Este trabalho está explorando novos estados da matéria, e poderá levar a direções inesperadas."
Ele provavelmente já tem algo em mente, mas talvez seja algo radical demais para que a comunidade dos físicos aceite sem mandar que ele vá escrever artigos de ficção científica - ou tente interná-lo.
Afinal, a ciência anda cuidadosamente um passo de cada vez. E propor a possibilidade de construção de um cristal que gire para sempre, sem precisar de energia externa, sobrevivendo até mesmo ao fim do Universo, parece audacioso o suficiente para uma temporada - mesmo para um ganhador do Nobel.
Bibliografia:
Quantum Time Crystals. Frank Wilczek. arXiv. http://arxiv.org/abs/1202.2539
Space-time crystals of trapped ions. Tongcang Li, Zhe-Xuan Gong, Zhang-Qi Yin, H. T. Quan, Xiaobo Yin, Peng Zhang, L.-M. Duan, Xiang Zhang http://arxiv.org/abs/1206.4772v1
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