Naukowcy stworzyli „mini wszechświat” do pomiaru czasu bez zegara!
Fizyk z Uniwersytetu w Birmingham zbudował w laboratorium układ kwantowy naśladujący zachowanie całego wszechświata i udowodnił, że czas nie musi istnieć jako coś zewnętrznego, by dało się go zmierzyć.
Eksperyment profesora Giovanniego Barontiniego dostarcza pierwszych kontrolowanych dowodów na to, że upływ czasu można wyprowadzić z wewnętrznych zmian zachodzących w układzie kwantowym, bez odwoływania się do żadnego zegara. Odkrycie otwiera drogę do laboratoryjnego testowania teorii dotyczących wczesnego wszechświata, czarnych dziur i samej natury czasu.
Wszechświat zamknięty w chmurze atomów
Profesor Barontini wykorzystał chmurę 24 tysięcy ultrazimnych atomów, schłodzonych do zaledwie kilku miliardowych stopnia powyżej zera absolutnego, tworząc szczelnie zamknięty układ kwantowy. Dwie wiązki laserowe o różnej częstotliwości podzieliły atomy na dwie strefy obserwowaną i nieobserwowaną. Strefa obserwowana wielokrotnie rozszerzała się i kurczyła, symulując kolejne Wielkie Wybuchy i hipotetyczne Wielkie Kolizje, czyli scenariusz, w którym ekspansja kosmosu ostatecznie się odwraca. Całość tworzyła miniaturowy model wszechświata, w którym można było śledzić sekwencję zdarzeń bez żadnego odniesienia do zewnętrznego zegara laboratoryjnego.
Czas rodzi się z nieporządku
Kluczowym odkryciem eksperymentu jest to, że czas może być pochodną entropii, stopnia rozproszenia i nieuporządkowania cząstek wewnątrz układu. Gdy atomy przemieszczały się między strefami i rozkład ich rozproszenia się zmieniał, układ „przesuwał się w czasie”. Gdy rozkład pozostawał niezmieniony, czas w praktyce się zatrzymywał. Profesor Barontini nazwał to zjawisko „czasem entropijnym” i wykazał, że taka wersja czasu płynie w jednym spójnym kierunku, tworząc wyraźną strzałkę czasu, prawidłowo porządkuje zdarzenia nawet w układzie rozszerzającym się i kurczącym, a także przyspiesza lub zwalnia w zależności od dynamiki entropii. Co istotne, równanie Schrödingera, fundament mechaniki kwantowej, nadal można zapisać posługując się czasem entropijnym, co pozwala przewidywać ewolucję układu.
Laboratorium dla teorii wszechświata
Eksperyment wpisuje się w jeden z najbardziej fundamentalnych sporów współczesnej fizyki. Niektóre teorie, w tym słynne równanie Wheelera-DeWitta z zakresu grawitacji kwantowej, sugerują, że wszechświat jako całość nie posiada wbudowanego czasu, istnieje jako pojedynczy, niezmienny stan kwantowy, a wszelkie poczucie upływu czasu musi wyłaniać się z wewnętrznych relacji między jego elementami. Dotąd idee te pozostawały w sferze czysto teoretycznej. Teraz po raz pierwszy można je weryfikować eksperymentalnie w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych. Wyniki badań opublikowano w piśmie „Physical Review Research”. W przyszłości podejście Barontiniego mogłoby posłużyć do symulacji czarnych dziur, badania fizyki Wielkiego Wybuchu czy testowania konkurencyjnych teorii dotyczących powstawania czasu we wszechświecie.
Źródło: Uniwersytetu w Birmingham
Czytaj też: Wyglądało to niesamowicie. Japońska rakieta H3 wróciła w wielkim stylu!
Grafika tytułowa: Andrik Langfield / Unsplash
