Фізики створили мініатюрний Всесвіт і спостерігали, як у ньому виникає час

У повсякденному житті час здається невіддільною властивістю Всесвіту: секунди минають незалежно від того, що відбувається навколо. Однак деякі фізичні теорії припускають, що на фундаментальному рівні все може бути інакше. Час не обов'язково існує сам по собі – він може виникати внаслідок змін і взаємодій між частинами системи. Про це пише ScienceDaily.

Чи може час виникати з руху частинок?

Один із прикладів – рівняння Вілера – ДеВітта, яке використовують у спробах об'єднати квантову механіку з теорією гравітації. У межах цього підходу Всесвіт можна описати як єдиний незмінний квантовий стан, для якого не потрібен зовнішній годинник.

Це породжує фундаментальне запитання: якщо немає годинника, який відраховує секунди, як можна визначити послідовність подій? Один із можливих варіантів – вимірювати час через зміни, що відбуваються всередині самого Всесвіту. Саме цю ідею дослідив професор Бірмінгемського університету Джованні Баронтіні. Результати його експерименту опублікували в журналі Physical Review Research.

Як створили мініатюрний Всесвіт із 24 тисяч атомів?

Для експерименту дослідник використав хмару приблизно з 24 тисяч атомів, охолоджених до температури лише на кілька мільярдних часток градуса вище абсолютного нуля. За таких умов квантові ефекти стають особливо помітними, що дає змогу вивчати поведінку частинок із високою точністю.

Атоми помістили в ізольовану квантову систему. Два лазерні промені з різними частотами створили тонкий бар'єр, який розділив її на дві частини: спостережувану, або «світлу», та неспостережувану, або «темну». Попри ізоляцію системи від зовнішнього середовища, частинки могли переміщатися між цими областями.

«Світла» частина системи циклічно розширювалася та стискалася. Цей процес нагадував спрощену модель двох космологічних явищ: Великого вибуху та Великого стискання – гіпотетичного сценарію, за якого розширення Всесвіту змінюється зворотним процесом і космос починає стискатися. Звісно, дослідники не відтворили справжній Великий вибух чи майбутнє стискання Всесвіту. Вони створили квантову модель, яка дає змогу перевірити, чи можна описати послідовність подій без зовнішнього відліку часу.

Як час виникав без годинника?

Ключову роль в експерименті відіграла ентропія – фізична величина, пов'язана з розподілом частинок та енергії в системі. Замість секунд і хвилин Баронтіні використав зміни в розподілі атомів, щоб визначити перебіг часу.

Коли частинки переміщувалися між «світлою» та «темною» областями, змінювався їхній розподіл у спостережуваній частині системи. Ці зміни стали внутрішнім орієнтиром, за яким можна було визначати послідовність подій навіть під час циклів розширення та стискання.

Дослідник назвав це явище ентропійним часом. Він має кілька важливих властивостей:

• Рухається в одному напрямку. Це створює так звану стрілу часу – відмінність між минулим і майбутнім.

• Визначає послідовність подій. Навіть коли система розширюється та стискається, її внутрішній відлік дає змогу встановити порядок змін.

• Може змінювати швидкість. Перебіг ентропійного часу залежить від того, наскільки швидко змінюється ентропія системи.

Якщо відповідний розподіл частинок переставав змінюватися, ентропійний час фактично зупинявся. Це не означає, що в лабораторії буквально припинявся час. Ідеться про те, що обраний внутрішній спосіб його вимірювання більше не фіксував змін.

Професор Баронтіні пояснив, що експеримент став першим контрольованим підтвердженням можливості визначати час через зміни всередині системи, а не за допомогою зовнішнього годинника. За його словами, такий підхід може допомогти досліджувати природу часу в межах квантової гравітації.

Що експеримент означає для фізики?

Дослідникам вдалося показати, що ентропійний час можна використовувати не лише для впорядкування подій. Вони також продемонстрували, що рівняння Шредінгера – один із фундаментальних інструментів квантової механіки – можна записати з використанням такого внутрішнього відліку.

Це важливо, оскільки рівняння Шредінгера описує, як змінюється квантовий стан системи, зокрема ймовірність виявити частинки в певному місці або стані. Отже, ентропійний час може бути повноцінним інструментом для прогнозування поведінки квантової системи, а не лише способом описати послідовність подій.

Водночас експеримент не доводить, що час є ілюзією або що наш Всесвіт не має фундаментального часу. Він демонструє, що квантова система може мати власний осмислений відлік часу без зовнішнього годинника. У майбутньому дослідники планують застосовувати цей підхід до складніших квантових систем. Це може допомогти перевіряти моделі Великого вибуху та Великого стискання, а згодом – досліджувати окремі аспекти чорних дір і різні теорії виникнення часу.