Un 'mini-universo' da 24.000 atomi mostra come il tempo scaturisca dall'entropia

Le fasi di un cosmo in miniatura

Con il sistema sigillato e partizionato, il team ha tracciato l'evoluzione del settore luminoso, scoprendo una straordinaria serie di analogie cosmologiche.

Big Bang e Big Crunch ciclici

Il settore luminoso si è ripetutamente espanso e poi ricollassato man mano che gli atomi attraversavano la barriera laser, un ciclo che imita un "rimbalzo" cosmologico. Il momento in cui gli atomi iniziavano a popolare il settore luminoso è stato interpretato come un "Big Bang", mentre il loro completo ritorno nel settore oscuro segnava un "Big Crunch". Questo ciclo di espansione e collasso si è ripetuto molte volte, creando una storia cosmica in miniatura e ricorrente all'interno del laboratorio.

Il tempo entropico: un orologio interno

Da questo flusso e riflusso di atomi, i ricercatori hanno definito un "tempo entropico". Poiché l'entropia totale del sistema è conservata, il movimento direzionale degli atomi tra i settori ha creato un flusso di entropia misurabile e unidirezionale nel settore luminoso. Questo flusso è servito come un affidabile orologio interno che ha mostrato diverse proprietà sorprendenti:

• Una freccia coerente: Il tempo entropico è fluito in una direzione coerente, ordinando correttamente gli eventi attraverso molteplici cicli di espansione e ricollasso.
• Velocità variabile: L'orologio accelerava o rallentava a seconda della velocità dello scambio di entropia tra i settori.
• Previsione accurata: Barontini ha derivato un'equazione simile a quella di Schrödinger, parametrizzata da questo tempo interno ed entropico – e non dal tempo convenzionale di laboratorio – e ha dimostrato che riproduceva accuratamente l'evoluzione misurata del settore luminoso.

Morte termica e la fine del tempo

Quando la distribuzione degli atomi tra i settori luminoso e oscuro si è finalmente stabilizzata e ha smesso di cambiare, lo scambio di entropia si è fermato. A questo punto, dalla prospettiva del settore osservato, il tempo si è effettivamente arrestato – un analogo della morte termica (o 'big freeze') prevista per il nostro stesso universo.

Perché questo è importante per la nostra comprensione dell'universo

L'esperimento è rilevante perché sposta una questione fondamentale dalla speculazione teorica al regno della fisica sperimentale. Suddividendo un sistema quantistico chiuso e osservando il tempo emergere unicamente dalle dinamiche dell'entropia, il team ha fornito il primo banco di prova controllato per le costruzioni di tempo relazionale. I loro risultati supportano l'idea che il tempo non sia uno sfondo fondamentale ed esterno, ma piuttosto un fenomeno termodinamico che sorge quando un osservatore distingue un sottosistema – proprio come la distinzione tra i settori luminoso e oscuro – da un insieme più ampio e senza tempo. Questo universo in miniatura da tavolo offre ora una nuova finestra empirica per esplorare la fisica del cosmo reale.