Физик из Бирмингемского университета, профессор Джованни Баронтини, создал в лабораторных условиях миниатюрную квантовую «вселенную», которая, как предполагается, способна пролить свет на один из фундаментальных вопросов современной физики: что представляет собой время. Результаты этого эксперимента, подробно описанные в публикации для журнала Physical Review Research, демонстрируют, что измерения временных интервалов могут быть проведены без использования часов. Вместо традиционного хронометража, как выяснилось, некая версия времени может спонтанно возникать из самого поведения квантовой системы. Фото: AI/ScienceDaily.com
Ряд теоретических построений в физике, в частности знаменитое уравнение Уилера-ДеВитта, предполагают, что время может и не являться неотъемлемой и фундаментальной структурой Вселенной. Согласно этой картине, наша Вселенная описывается как единое квантовое состояние, лишенное отдельных часов, а привычный для нас поток времени, вероятно, проистекает из взаимодействий и закономерностей между различными частями системы, а не из независимого тикания некоего хронометра.
Для экспериментальной проверки этой гипотезы профессор Баронтини сконструировал упрощенную квантовую «вселенную» на основе облака, состоящего из 24 000 ультрахолодных атомов, охлажденных до температуры, составляющей всего несколько миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля. Эти атомы были помещены в изолированную систему и разделены барьером, сформированным двумя лазерными лучами разной частоты. Таким образом возникли две области: одна, доступная для наблюдения («яркая»), и другая, скрытая от наблюдения («темная»).
Крошечная вселенная со своим чувством времени
Внутри этой миниатюрной системы «яркая» область демонстрировала циклы расширения и сжатия, напоминающие упрощенную модель Большого взрыва, за которым следует так называемое «Большое сжатие» — гипотетический сценарий, при котором расширение Вселенной в конечном итоге сменяется обратным процессом. Поскольку вся система была полностью изолирована от внешнего мира, исследователи смогли восстановить последовательность событий, опираясь исключительно на информацию, полученную из самой «мини-вселенной», не прибегая к помощи внешних часов или каких-либо индикаторов времени. Полученные данные указывают на то, что изменения, воспринимаемые как время, могут возникать из процессов, происходящих внутри квантовой системы, а не существовать в качестве независимого и равномерно текущего фона.
Эксперимент показал, что «время» в этой системе зарождается благодаря изменениям в степени хаоса или распределения (энтропии) атомов, когда они перемещаются между «светлой» и «темной» областями. При этом, помимо этого внутреннего движения, система оставалась полностью изолированной от внешнего воздействия. Когда количество атомов в наблюдаемой области увеличивалось или уменьшалось, система фактически двигалась вперед во времени. Как только эти потоки частиц прекращали изменяться, само время в этой мини-вселенной, по сути, останавливалось.
Профессор Баронтини назвал это явление «энтропийным временем». В рамках данного эксперимента эта форма времени обладает рядом ключевых свойств:
- Она течет в одном последовательном направлении, формируя четкую «стрелу времени».
- Она корректно упорядочивает события, даже когда сама мини-вселенная проходит фазы расширения и сжатия.
- Она может ускоряться или замедляться в зависимости от того, как именно перераспределяется энтропия внутри системы.
Профессор Баронтини пояснил: «В некоторых теориях Вселенной, особенно в квантовой гравитации, время не является встроенной величиной. Однако в повседневной жизни оно течет из прошлого в будущее. Возникает вопрос: почему это так, если большинство фундаментальных физических законов действуют одинаково как вперед, так и назад?».
«Это исследование является первым контролируемым экспериментальным доказательством того, что указанное «время» может определяться изменениями внутри систем, а не измеряться «тикающими часами», которые мы привыкли считать временем. Оно предлагает новое понимание природы времени в квантовой гравитации, которое можно использовать для описания динамики систем столь же эффективно, как и обычно».
Исследователи также обнаружили, что версия уравнения Шредингера, фундаментального уравнения квантовой механики, может быть выражена с использованием «энтропийного времени». Это означает, что ученые все еще могут предсказывать, как «облако вероятностей» квантовой системы будет эволюционировать во времени, даже когда само время определяется не внешними часами, а внутренними изменениями системы.
зменений, а не время.
Работа решает давнюю проблему физики. Если некоторые теории верны и во Вселенной нет встроенных часов, как можно ограничить события в правильном порядке? Эксперимент предполагает, что ответ может привести к повреждению собственной внутренней системы эволюции.
Профессор Баронтини показал, что миниатюрная Вселенная подчиняется стандартным законам квантовой механики, что позволяет при этом проверять идеи о природе времени, которые обычно ограничивают теории, описывающими всю Вселенную, в контролируемых лабораторных условиях.
К экспериментам по Большому взрыву и черным дырам
Мини-вселенная представляет собой ценную экспериментальную платформу для проверки идей квантовой космологии и квантовой гравитации. Вместо того, чтобы опираться только на математические модели, ученые теперь могут рассматривать концепции, связанные с ранней Вселенной, посредством лабораторных экспериментов.
Команда утверждает, что тот же самый подход в конечном итоге может быть распространенным на более сложных квантовых системах, открывающих двери для экспериментов, следующих по физике великой теории, «Большого сжатия» и «Большого сжатия». моделируемые черные дыры и конкурирующие теории о том, как возникает само время.