Физик создал мини-вселенную без часов и доказал, что время рождается из хаоса

Профессор Джованни Баронтини из Бирмингемского университета в ходе эксперимента с ультрахолодными атомами обнаружил, что время может возникать из внутренних изменений квантовой системы, не требуя внешних часов. Результаты исследования, опубликованные в журнале Physical Review Research, демонстрируют возможность измерения «энтропийного времени» внутри изолированной мини-вселенной, что приближает ученых к пониманию природы времени как фундаментального свойства космоса.

Фундаментальная физика, особенно в области квантовой гравитации, давно работает с теориями, где время не является первичным свойством мироздания. Классический пример — уравнение Уилера-Девитта, которое описывает волновую функцию всей Вселенной. Это уравнение удивительно тем, что в нем вообще нет переменной времени. Оно представляет Вселенную как единое, статичное, неизменное квантовое состояние, где нет ни «до», ни «после», а есть только вечное «сейчас».

Если это так, то возникает мучительный вопрос: почему в нашем повседневном опыте время неумолимо течет из прошлого в будущее, а большинство законов физики (кроме термодинамики) работают одинаково в обе стороны? Джованни Баронтини ищет ответ, предполагая, что время не является внешним фоном или глобальной космической стрелой, а возникает локально, как внутреннее свойство взаимосвязей между частями системы. Именно эту гипотезу он решил проверить экспериментально.

Для этого он создал так называемую «мини-вселенную». Технически это не какая-то фантастическая установка, а очень аккуратный и точный эксперимент с ультрахолодными атомами. Баронтини взял облако, состоящее из 24 тысяч атомов рубидия и охладил его до температуры, которая лишь на несколько миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля. При такой температуре атомы образуют бозе-эйнштейновский конденсат — особое состояние вещества, где все атомы ведут себя как один квантовый объект.

Эта система тщательно изолирована от внешних воздействий, чтобы на нее не влияли посторонние шумы или диссипация энергии. Затем с помощью двух лазерных лучей разных частот он создал внутри этого конденсата тончайший оптический барьер. Этот барьер, похожий на невидимую перегородку, разделил единую вселенную из атомов на две связанные, но различные области. Одну область он назвал «светлой» — это наблюдаемая часть его мини-вселенной, за изменением которой он следил. Вторую область назвали «темной», она оставалась скрытой от прямого наблюдения, но атомы могли свободно проходить через барьер между ними.

Главная инженерная хитрость эксперимента заключается в том, что сама «светлая» область не статична. Джованни Баронтини с помощью лазеров заставил эту область циклически расширяться и сжиматься. То есть объем, доступный для атомов в наблюдаемой части, то увеличивался, то уменьшался. Это было сделано специально, чтобы смоделировать космологический сценарий. Расширение «светлой» области напоминает Большой взрыв, а последующее сжатие — гипотетическое Большое сжатие, когда Вселенная может начать схлопываться. Таким образом, внутри маленькой атомной ловушки воспроизводится драма целого космоса: он рождается, растет, а потом начинает умирать и сжиматься. И все это без какого-либо внешнего управления временем, только внутренние силы и квантовые законы.

Теперь самое важное: как в такой системе измерить время, если нет часов? Джованни Баронтини предлагает использовать для этого понятие энтропии. Под энтропией здесь понимается мера беспорядка или, точнее, мера того, как распределены атомы между «светлым» и «темным» секторами. Эксперимент показал следующее. Когда «светлая» область расширяется, атомы из «темной» области могут через барьер перетекать в нее, и их распределение в пространстве меняется — энтропия системы растет.

Когда область сжимается, атомы выталкиваются обратно в «темную» область, и распределение становится более упорядоченным, энтропия уменьшается. И вот ключевой результат: Баронтини обнаружил, что эти изменения энтропии сами по себе ведут себя как время. Пока распределение атомов меняется, энтропия растет или падает, последовательность событий выстраивается в четкую линию: можно сказать, что сначала произошло расширение, потом сжатие. Это и есть «энтропийное время».

Более того, это время обладает стрелой: даже когда система сжимается и энтропия убывает, направление последовательности событий не меняется на противоположное. Оно всегда течет от одного события к другому, создавая внутреннее ощущение «до» и «после». А если распределение атомов вдруг застывает и не меняется, то время в этой мини-вселенной буквально останавливается: никаких изменений нет, значит, нет и течения времени. Это мощное наблюдение: время не независимый поток, а производная от изменений состояния.

Следующий шаг — это математический и очень важный для физики. Ученый задался вопросом: можно ли записать стандартное квантово-механическое уравнение Шредингера, которое обычно описывает эволюцию системы во внешнем времени, используя вместо этого его внутреннее энтропийное время? И он успешно это сделал. Он вывел эффективное уравнение Шредингера, параметром в котором служит не лабораторная секунда, а мера изменения энтропии. И затем показал, что это уравнение прекрасно предсказывает реальные изменения, наблюдаемые в его «светлом» секторе: как меняется волновая функция атомного облака, как распределяются вероятности найти атом в той или иной точке. Другими словами, энтропийное время оказалось функционально эквивалентно обычному времени для всех практических целей внутри этой изолированной квантовой системы.

Значение этого эксперимента выходит далеко за рамки демонстрации красивой идеи. Ученый создал лабораторный стенд для проверки самых глубоких теорий космологии. Раньше идеи об отсутствии глобального времени, о роли наблюдателя или о возникновении времени из квантовой запутанности были чисто умозрительными. Теперь их можно ставить как реальные эксперименты.

Во-первых, это позволяет изучать физику Большого взрыва и Большого сжатия не на кончике пера, а в контролируемых условиях. Во-вторых, ту же методику можно применить для создания аналогов черных дыр в лаборатории, например, изучая, как энтропийное время ведет себя вблизи горизонта событий, созданного с помощью специальных конфигураций лазеров и атомов. В-третьих, можно напрямую сравнивать разные конкурирующие теории квантовой гравитации, проверяя, какая из них дает предсказания, совпадающие с поведением энтропийного времени в таких мини-вселенных.

В результате исследования профессор Баронтини экспериментально доказал, что внутри изолированной квантовой системы можно определить полноценное время, опираясь исключительно на изменение энтропии и перераспределение частиц между частями системы, без каких-либо внешних эталонов, и что такое энтропийное время не только упорядочивает события, но и подчиняется видоизмененному уравнению Шредингера, что открывает путь к лабораторному моделированию фундаментальных космологических процессов, включая рождение и гибель вселенных.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях