24 000 atomin pöytämaailmankaikkeus osoitti, miten aika voi syntyä tyhjästä

Professori Giovanni Barontini ja hänen ryhmänsä Birminghamin yliopistossa ovat rakentaneet pöytätasolle sijoittuvan "minimaailmankaikkeuden", joka tarjoaa yllättävän vastauksen erääseen fysiikan syvimmistä kysymyksistä: mitä on aika? Jäähdyttämällä noin 24 000 rubidium-87-atomia vain muutaman miljardisosa-asteen päähän absoluuttisesta nollapisteestä tutkijat loivat niin kutsutun Bosen–Einsteinin kondensaatin – aineen olomuodon, jossa atomit toimivat kuin yksi ainoa koherentti kvanttiobjekti. Jakamalla tämän atomipilven ohuella laseresteellä havaittuun eli "kirkkaaseen" sektoriin ja piilotettuun eli "pimeään" sektoriin he saivat aikaan suljetun kvanttijärjestelmän, jossa ajan nuoli syntyi puhtaasti osien välisestä entropianvaihdosta ilman minkäänlaista ulkoista kelloa.

Koeasetelma: hermeettisesti suljettu kvanttikosmos

Koe tarttuu pitkäaikaiseen teoreettiseen pulmaan, joka tunnetaan kvanttigravitaatiossa ja kosmologiassa "ajan ongelmana". Wheelerin–DeWittin mallissa – joka on yksi yritys yhdistää kvanttimekaniikka ja yleinen suhteellisuusteoria – koko maailmankaikkeutta kuvaava yhtälö on ajasta riippumaton. Tästä seuraa, ettei kosmoksella ole sisäänrakennettua ulkoista kelloa. Jos aika on todellinen, sen täytyy siis syntyä suhteellisesti järjestelmän itsensä sisältä. Barontinin ryhmä päätti testata tätä käsitystä fysikaalisesti.

He sulkivat Bosen–Einsteinin kondensaatin ajasta riippumattomaan konservatiiviseen ansaan. Huolellisesti viritetty optinen laseraita jakoi atomipilven havaittuun kirkkaaseen sektoriin ja havainnoimattomaan pimeään sektoriin. Atomit pystyivät tunneloitumaan eli siirtymään esteen läpi puolelta toiselle. Ratkaisevaa on, että koko järjestelmän hienorakeinen entropia pysyy vakiona – tämä on suljetun, eristetyn järjestelmän perusominaisuus. Siksi jokaisen kirkkaassa sektorissa tapahtuvan karkearakeisen entropian muutoksen on johduttava entropianvaihdosta piilotetun pimeän sektorin kanssa.

Ajan nuolen havainnointi

Kun järjestelmä oli suljettu ja jaettu, ryhmä seurasi kirkkaan sektorin kehitystä ja löysi sarjan huomattavia kosmologisia vastineita.

Alkuräjähdys ja loppurysäys -syklit

Kirkas sektori laajeni ja sitten romahti toistuvasti atomien ylittäessä laseresteen – sykli, joka matkii kosmologista ponnahtelua. Hetkeä, jolloin atomit alkoivat täyttää kirkasta sektoria, tulkittiin "Alkuräjähdykseksi", kun taas atomien täydellinen paluu pimeään sektoriin merkitsi "Loppurysäystä" (engl. Big Crunch). Tämä pompahteleva sykli toistui useita kertoja luoden laboratorioon pienoiskoossa toistuvan kosmisen historian.

Entropinen aika sisäisenä kellona

Tästä atomien vuorovesiliikkeestä tutkijat määrittelivät "entropisen ajan". Koska koko järjestelmän entropia säilyy, atomien suunnattu liike sektoreiden välillä loi kirkkaaseen sektoriin mitattavissa olevan yksisuuntaisen entropiavirran. Tämä virta toimi luotettavana sisäisenä kellona, jolla oli useita silmiinpistäviä ominaisuuksia:

• Johdonmukainen nuoli: Entropinen aika virtasi yhteen johdonmukaiseen suuntaan ja järjesti tapahtumat oikein useiden laajenemis- ja romahdussykleiden yli.
• Vaihteleva nopeus: Kello nopeutui tai hidastui riippuen sektoreiden välisen entropianvaihdon tahdista.
• Tarkka ennuste: Barontini johti tehollisen Schrödingerin yhtälön kaltaisen yhtälön, joka on parametrisoitu tällä sisäisellä, entropisella ajalla – ei tavanomaisella laboratorioajalla – ja osoitti sen toistavan tarkasti kirkkaan sektorin mitatun kehityksen.

Lämpökuolema ja ajan loppu

Kun atomien jakauma kirkkaan ja pimeän sektorin välillä lopulta vakiintui ja lakkasi muuttumasta, entropianvaihto pysähtyi. Tällöin havaitun sektorin näkökulmasta aika käytännössä pysähtyi – vertauskuva omalle maailmankaikkeudellemme ennustetulle lämpökuolemalle.

Miksi tällä on merkitystä maailmankaikkeutemme ymmärtämiselle

Koe on merkittävä, koska se siirtää perustavanlaatuisen kysymyksen teoreettisesta spekulaatiosta kokeellisen fysiikan piiriin. Jakamalla suljetun kvanttijärjestelmän ja katsomalla ajan syntyvän pelkästään entropiadynamiikasta ryhmä loi ensimmäisen kontrolloidun testimielikuvan relationaalisille aikarakenteille. Heidän tuloksensa tukevat ajatusta siitä, ettei aika ole perustavanlaatuinen, ulkoinen tausta, vaan pikemminkin termodynaaminen ilmiö, joka ilmenee, kun tarkkailija erottaa osajärjestelmän suuremmasta, ajattomasta kokonaisuudesta – aivan kuten jaottelu kirkkaaseen ja pimeään sektoriin. Tämä pöytäminimaailmankaikkeus tarjoaa nyt uuden empiirisen ikkunan todellisen kosmoksen fysiikan tutkimiseen.