Физик смог экспериментально наблюдать возникновение времени из полностью изолированной квантовой системы, построив так называемую «минивселенную». Этот эксперимент затрагивает фундаментальный вопрос о том, как может существовать время, если у Вселенной нет внешних опор.
Исследование и экспериментальная методология
Джованни Баронтини, физик-экспериментатор из Бирмингемского университета, опубликовал новое исследование 11 июня в журнале Physical Review Research. Для проведения этого уникального эксперимента он использовал облако чрезвычайно холодного атома для настройки своей минивселенной. Система была изолирована таким образом, что, подобно Вселенной, не было внешнего элемента, который мог бы служить временной отсылкой.
Баронтини разделил систему на две части и решил пренебречь одной из них, назвав ее «темным сектором», чтобы доказать, что время может возникать полностью внутри самой системы. Результаты представляют собой первый практический анализ того, почему Вселенная обладает временным измерением.
Теоретический контекст времени
Эта работа исследует дилемму, которая увлекает физическое сообщество почти шесть десятилетий. Уравнение Уилера-Девитта, центральный элемент квантовой гравитации — области, посвященной согласованию теории гравитации Эйнштейна с квантовой механикой, — моделирует Вселенную как замкнутую систему без какого-либо внешнего параметра времени. Это поднимает вопрос о происхождении нашего восприятия времени.
Теория реляционного времени предполагает, что время не является первичным свойством реальности, а скорее чем-то, что возникает из внутренних взаимодействий Вселенной, где одна часть системы функционирует как часы для другой. Однако эта гипотеза никогда не проверялась напрямую в лабораторных условиях.
Вдохновение для Баронтини пришло из личного наблюдения: он видел, как его сын играет с конструкторами, что заставило его подумать, что этот процесс аналогичен тому, что происходит в его собственных лабораториях, где создаются небольшие реплики реальности с использованием конденсатов Бозе-Эйнштейна.
Построение энтропийных часов
Чтобы смоделировать самодостаточную Вселенную, Баронтини заключил конденсат в ловушку и разделил его тонким лазерным лучом. Он тщательно отслеживал одну половину, названную «светящимся сектором», при этом намеренно игнорируя другую, «темный сектор».
Атомы в светящемся секторе периодически осциллировали внутри ловушки, проходя через барьер и возвращаясь обратно. Баронтини назвал моменты, когда атомы вторгались в светящийся сектор, «Большим взрывом», а моменты опустошения — «Большим сжатием», термином, связанным с теорией конечного коллапса Вселенной.
Затем он отследил передачу энтропии — метрики беспорядка или рассеяния энергии в системе — между двумя половинами во время прохождения атомов. Вместо того чтобы полагаться на лабораторное время для упорядочивания событий, он установил «энтропийное время», часы, определенные исключительно потоком энтропии между двумя половинами системы: время шло, когда происходил обмен энтропией, и останавливалось при отсутствии такового.
Удивительные результаты эксперимента
Самым примечательным для Баронтини был тот факт, насколько согласованно все элементы выстроились. Внутреннее энтропийное время организовало события в светящемся секторе предсказуемым образом, отражая порядок, наблюдаемый в эксперименте. Эта работа представляет собой практическую проверку концепций, обсуждавшихся в квантовой космологии и термодинамике десятилетиями. Хотя это не категорическое заявление о том, что время — иллюзия, это первый случай, когда такие идеи подвергаются количественному и прямому лабораторному тестированию.