Физики создали мини-вселенную, где время возникло без часов

Физик из Бирмингемского университета создал лабораторную «мини-вселенную», которая приближает ученых к ответу на один из главных вопросов физики: что такое время?

В исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Research, профессор Джованни Баронтини демонстрирует, что течение времени можно измерить без использования часов. Вместо этого эксперимент показывает, что версия времени может естественным образом возникать из поведения самой квантовой системы.

Некоторые теории современной физики предполагают, что время может не быть фундаментальным свойством Вселенной. Примером является уравнение Уилера — Девитта, которое описывает Вселенную как единое квантовое состояние без внешних часов. Чтобы проверить эту идею экспериментально, профессор Баронтини создал упрощенную квантовую «вселенную», используя облако из 24 000 ультрахолодных атомов, охлажденных до температуры в несколько миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля. Атомы были изолированы внутри системы и разделены тонким барьером, созданным двумя лазерными лучами разной частоты. Это создало две области: наблюдаемую («светлую») и ненаблюдаемую («темную»).

Внутри этой миниатюрной вселенной светлая область многократно расширялась и сжималась, напоминая упрощенную версию Большого взрыва, за которым следует Большое сжатие — гипотетическое событие, при котором расширение Вселенной в конечном итоге обращается вспять. Поскольку система была полностью изолирована, исследователи смогли восстановить последовательность событий, используя только информацию изнутри самой мини-вселенной, не обращаясь к внешним лабораторным часам.

Эксперимент показал, что «время» возникало из изменений в беспорядке, или разбросе (энтропии), атомов по мере их перемещения между светлой и темной областями. Когда распределение частиц в светлой области увеличивалось или уменьшалось, система эффективно двигалась вперед во времени. Когда распределение частиц переставало меняться, время фактически останавливалось.

Профессор Баронтини называет эту концепцию «энтропийным временем». В эксперименте эта форма времени течет в одном последовательном направлении, создавая четкую «стрелу времени», правильно упорядочивает события, даже когда мини-вселенная расширяется и сжимается, и может ускоряться или замедляться в зависимости от перераспределения энтропии.

«В некоторых теориях Вселенной, особенно в квантовой гравитации, время не появляется как встроенная функция. Однако в повседневной жизни время течет из прошлого в будущее — почему это так, если большинство основных законов физики работают одинаково вперед и назад? Это исследование предоставляет первые контролируемые экспериментальные доказательства того, что «время» может быть определено изменениями внутри системы, а не как внешние «тикающие часы», которые мы считаем временем. Оно дает новое понимание природы времени в квантовой гравитации, которое можно использовать для описания динамики так же эффективно, как и обычное время», — сказал профессор Баронтини.

Исследователи также обнаружили, что версия уравнения Шрёдингера, фундаментального уравнения квантовой механики, может быть выражена с использованием энтропийного времени. Это означает, что ученые все еще могут предсказывать, как «облако вероятности» квантовой системы эволюционирует во времени, даже когда время определяется внутренними изменениями, а не внешними часами.

Мини-вселенная предоставляет ценную экспериментальную платформу для проверки идей в квантовой космологии и квантовой гравитации. Команда утверждает, что тот же подход в конечном итоге может быть расширен на более сложные квантовые системы, открывая путь к экспериментам, изучающим физику Большого взрыва, «Большого сжатия», симулированных черных дыр и конкурирующих теорий о том, как само время возникает.