Český fyzikální zázrak: Stolek s atomy ukazuje zrod času bez hodin

Profesor Giovanni Barontini a jeho tým z Birminghamské univerzity sestrojili na laboratorním stole „minivesmír“, který nabízí překvapivou odpověď na jednu z nejhlubších otázek fyziky: co je to čas? Zchladili zhruba 24 000 atomů rubidia-87 na pouhé miliardtiny stupně nad absolutní nulou, čímž vytvořili Boseho-Einsteinův kondenzát – zvláštní skupenství hmoty, kde se atomy chovají jako jeden jediný koherentní kvantový objekt. Následně tento oblak rozdělili tenkou laserovou bariérou na dva sektory: pozorovaný „světlý“ a nepozorovaný „temný“. Experiment publikovaný v časopise Physical Review Research představuje první kontrolovaný laboratorní důkaz, že soudržná šipka času může vzniknout uvnitř zcela izolovaného systému, a to pouze na základě výměny entropie mezi jeho částmi, bez jakýchkoliv vnějších hodin.

Cesta k experimentu: hermeticky uzavřený kvantový vesmír

Experiment se odvážně pouští do dlouholeté teoretické hádanky známé jako „problém času“ v kvantové gravitaci. V rámci Wheelerovy-DeWittovy teorie – jednoho z pokusů o sjednocení kvantové mechaniky a Einsteinovy obecné relativity – je celý vesmír popsán rovnicí, která je na čase nezávislá. To naznačuje, že kosmos nemá žádné vestavěné, vnější hodiny. Pokud je tedy čas skutečný, musí se podle této úvahy vynořit relačně zevnitř samotného systému. Barontiniho tým se rozhodl tento koncept fyzicky otestovat.

Vytvořili proto Boseho-Einsteinův kondenzát a udržovali ho v časově nezávislé konzervativní pasti. Jak už víme, pečlivě naladěná laserová stěna rozdělila tento oblak na světlý a temný sektor, přičemž atomy mohly mezi nimi tunelovat nebo jinak přecházet. Klíčové bylo, že celková jemná entropie globálního systému zůstávala konstantní – to je definiční znak uzavřeného, izolovaného systému. Jakákoliv změna v hrubé entropii světlého sektoru tedy musela být způsobena výměnou entropie se skrytým temným sektorem.

Pozorování šipky času

S takto zapečetěným a rozděleným systémem tým sledoval vývoj světlého sektoru a objevil pozoruhodnou sérii kosmologických analogií.

Cykly Velkého třesku a Velkého křachu

Světlý sektor opakovaně expandoval a následně zkolaboval, jak atomy překonávaly laserovou bariéru. Tento cyklus připomíná takzvaný kosmologický „bounce“ (odraz). Okamžik, kdy atomy poprvé pronikly do světlého sektoru, byl interpretován jako „Velký třesk“, zatímco jejich úplný návrat do temného sektoru označoval „Velký křach“. Tento odrážející se cyklus se mnohokrát opakoval a v laboratoři tak vznikla miniaturní, opakující se kosmická historie.

Entropický čas jako vnitřní hodiny

Z tohoto přílivu a odlivu atomů vědci definovali „entropický čas“. Protože celková entropie systému je zachována, směrovaný pohyb atomů mezi sektory vytvářel měřitelný, jednosměrný tok entropie ve světlém sektoru. Tento tok sloužil jako spolehlivé vnitřní hodiny, které vykazovaly několik nápadných vlastností:

• Konzistentní šipka: Entropický čas plynul jedním konzistentním směrem a správně řadil události napříč několika cykly expanze a kolapsu.
• Proměnlivá rychlost: Hodiny se zrychlovaly nebo zpomalovaly v závislosti na míře výměny entropie mezi sektory.
• Přesná předpověď: Barontini odvodil efektivní Schrödingerovu rovnici parametrizovanou tímto vnitřním, entropickým časem – nikoliv konvenčním laboratorním časem – a ukázal, že přesně reprodukuje naměřený vývoj světlého sektoru.

Tepelná smrt a konec času

Když se distribuce atomů mezi světlým a temným sektorem nakonec stabilizovala a přestala se měnit, výměna entropie ustala. V tomto okamžiku se z pohledu pozorovaného sektoru čas fakticky zastavil – jde o analogii takzvané tepelné smrti předpovídané pro náš vlastní vesmír.

Proč je to důležité pro naše chápání vesmíru

Význam experimentu spočívá v tom, že posouvá fundamentální otázku z oblasti teoretických spekulací do sféry experimentální fyziky. Rozdělením uzavřeného kvantového systému a sledováním, jak se čas vynořuje pouze z dynamiky entropie, tým poskytl první kontrolované testovací prostředí pro konstrukce relačního času. Jejich zjištění podporují myšlenku, že čas není fundamentálním, vnějším pozadím, ale spíše termodynamickým jevem, který vzniká, když pozorovatel rozliší subsystém – podobně jako je to s rozlišením mezi světlým a temným sektorem – od většího, nadčasového celku. Tento stolní miniaturní vesmír nyní nabízí nové empirické okno pro zkoumání fyziky skutečného kosmu.