Що таке час і чи існує він насправді поза нашим сприйняттям? Фізик із Бірмінгемського університету зробив вагомий крок до розв’язання цієї фундаментальної загадки науки. Професор Джованні Баронтіні створив у лабораторії квантовий мінівсесвіт. Експеримент довів: для вимірювання та існування плину часу зовнішній годинник взагалі не потрібен. Його дослідження, опубліковане у журналі Physical Review Research, демонструє, що час може бути не фундаментальною складовою космосу, а лише побічним продуктом поведінки квантових систем.
У сучасній квантовій гравітації активно досліджують гіпотезу, що час може бути не фундаментальною властивістю Всесвіту, а виникати лише як наслідок глибших фізичних процесів. Наприклад рівняння Вілера—ДеВітта описує квантовий стан Всесвіту без явної змінної часу. Через це складається враження, ніби на фундаментальному рівні не існує вбудованого «годинника», який визначав би послідовність подій.
Повсякденний рух від минулого до майбутнього, який ми називаємо часом, має виникати через складні взаємозв’язки між частинками всередині системи. Головна проблема полягала в тому, як перевірити цю гіпотезу практично.
Лабораторний рецепт космосу
Щоб втілити теорію в життя, професор Баронтіні побудував спрощений квантовий макет Всесвіту. Він використав хмару з 24 тис. атомів, охолоджених майже до абсолютного нуля — різниця становила лише кілька мільярдних часток градуса.
Ці атоми ізолювали в замкненій системі й розділили тонким оптичним бар’єром із двох різночастотних лазерних променів. Утворилися дві зони: спостережувана («яскрава») та прихована («темна»).
Усередині цього мікрокосмосу «яскрава» частина то розширювалася, то стискалася. Це нагадувало циклічну модель нашого світу: від Великого вибуху до Великого стиснення. Оскільки система була абсолютно ізольованою, науковці могли фіксувати послідовність подій, спираючись виключно на внутрішні процеси мінівсесвіту, без допомоги будь-яких приладів ззовні.
Народження «ентропійного часу»
Експеримент показав, що умовний «час» у квантовій системі виникав завдяки змінам рівня хаосу (ентропії) під час міграції атомів між світлою та темною зонами. Поки частинки рухалися і перерозподілялися, система еволюціонувала — тобто рухалася вперед у часі. Щойно цей рух згасав і розподіл частинок ставав незмінним, час у мінівсесвіті буквально зупинявся.
Баронтіні назвав це явище «ентропійним часом». Він має унікальні властивості:
- завжди рухається в одному напрямку, створюючи чітку «стрілу часу»;
- логічно впорядковує події навіть під час стиснення та розширення квантової хмари;
- може прискорюватися або сповільнюватися залежно від інтенсивності зміни ентропії.
Міст до квантової гравітації
Дослідникам також вдалося переписати фундаментальне рівняння квантової механіки — рівняння Шредінгера — через так званий ентропійний час. Це показує, що еволюцію квантової системи можна описувати навіть без використання зовнішнього годинника, спираючись лише на внутрішні зміни її стану.
Отримані результати демонструють один із можливих способів упорядкувати події в системах, де звичне поняття часу відсутнє. Тепер замість сухих математичних моделей науковці отримали реальний лабораторний інструмент, хоча це ще не розв’язує проблему часу в квантовій гравітації. Експеримент створює нову лабораторну платформу для перевірки відповідних теоретичних моделей. У майбутньому подібні квантові системи можуть допомогти досліджувати певні аспекти фізики чорних дір, раннього Всесвіту та інших явищ, де класичний опис простору-часу перестає працювати.
Раніше ми намагалися розібратися, чи плив час інакше одразу після Великого вибуху.
За матеріалами sciencedaily.com
