Физики создали миниатюрную Вселенную и наблюдали, как в ней возникает время

В повседневной жизни время кажется неотъемлемым свойством Вселенной: секунды идут независимо от того, что происходит вокруг. Однако некоторые физические теории предполагают, что на фундаментальном уровне все может быть иначе. Время не обязательно существует само по себе – оно может возникать в результате изменений и взаимодействий между частями системы. Об этом пишет ScienceDaily.

Может ли время возникать из движения частиц?

Один из примеров – уравнение Уилера–Девитта, которое используют в попытках объединить квантовую механику с теорией гравитации. В рамках этого подхода Вселенную можно описать как единое неизменное квантовое состояние, для которого не нужны внешние часы.

Это порождает фундаментальный вопрос: если нет часов, отсчитывающих секунды, как можно определить последовательность событий? Один из возможных вариантов – измерять время по изменениям, происходящим внутри самой Вселенной. Именно эту идею исследовал профессор Бирмингемского университета Джованни Баронтини. Результаты его эксперимента опубликовали в журнале Physical Review Research.

Как создали миниатюрную Вселенную из 24 тысяч атомов?

Для эксперимента исследователь использовал облако из примерно 24 тысяч атомов, охлажденных до температуры всего на несколько миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля. В таких условиях квантовые эффекты становятся особенно заметными, что позволяет изучать поведение частиц с высокой точностью.

Атомы поместили в изолированную квантовую систему. Два лазерных луча с разными частотами создали тонкий барьер, разделивший систему на две части: наблюдаемую, или "светлую", и ненаблюдаемую, или "темную". Несмотря на изоляцию системы от внешней среды, частицы могли перемещаться между этими областями.

"Светлая" часть системы циклически расширялась и сжималась. Этот процесс напоминал упрощенную модель двух космологических явлений: Большого взрыва и Большого сжатия – гипотетического сценария, при котором расширение Вселенной сменяется обратным процессом, и космос начинает сжиматься. Конечно, исследователи не воссоздали настоящий Большой взрыв или будущее сжатие Вселенной. Они создали квантовую модель, которая позволяет проверить, можно ли описать последовательность событий без внешнего отсчета времени.

Как время возникало без часов?

Ключевую роль в эксперименте сыграла энтропия – физическая величина, связанная с распределением частиц и энергии в системе. Вместо секунд и минут Баронтини использовал изменения в распределении атомов, чтобы определить течение времени.

Когда частицы перемещались между "светлой" и "темной" областями, менялось их распределение в наблюдаемой части системы. Эти изменения стали внутренним ориентиром, по которому можно было определять последовательность событий даже во время циклов расширения и сжатия.

Исследователь назвал это явление энтропийным временем. Оно обладает несколькими важными свойствами:

• Движется в одном направлении. Это создает так называемую стрелу времени – различие между прошлым и будущим.

• Определяет последовательность событий. Даже когда система расширяется и сжимается, ее внутренний отсчет позволяет установить порядок изменений.

• Может изменять скорость. Течение энтропийного времени зависит от того, насколько быстро меняется энтропия системы.

Если соответствующее распределение частиц переставало изменяться, энтропийное время фактически останавливалось. Это не означает, что в лаборатории буквально останавливалось время. Речь идет о том, что выбранный внутренний способ его измерения больше не фиксировал изменений.

Профессор Баронтини пояснил, что эксперимент стал первым контролируемым подтверждением возможности определять время через изменения внутри системы, а не с помощью внешних часов. По его словам, такой подход может помочь исследовать природу времени в рамках квантовой гравитации.

Что этот эксперимент означает для физики?

Исследователям удалось показать, что энтропийное время можно использовать не только для упорядочения событий. Они также продемонстрировали, что уравнение Шредингера – один из фундаментальных инструментов квантовой механики – можно записать с использованием такого внутреннего отсчета.

Это важно, поскольку уравнение Шредингера описывает, как изменяется квантовое состояние системы, в частности вероятность обнаружения частиц в определенном месте или состоянии. Таким образом, энтропийное время может быть полноценным инструментом для прогнозирования поведения квантовой системы, а не просто способом описания последовательности событий.

В то же время эксперимент не доказывает, что время является иллюзией или что в нашей Вселенной нет фундаментального времени. Он демонстрирует, что квантовая система может иметь собственный осмысленный отсчет времени без внешних часов. В будущем исследователи планируют применять этот подход к более сложным квантовым системам. Это может помочь проверять модели Большого взрыва и Большого сжатия, а впоследствии – исследовать отдельные аспекты черных дыр и различные теории возникновения времени.