時間はエントロピーから生まれる：24,000個の原子が作った「卓上ミニ宇宙」が示した「時間の矢」

時間の矢を観測する

系が密閉され分割された状態で、チームは明るいセクターの進化を追跡し、一連の驚くべき宇宙論的類似現象を発見した。

ビッグバンとビッグクランチのサイクル

原子がレーザーバリアを越えて移動するにつれて、明るいセクターは繰り返し膨張と収縮を繰り返した。これは宇宙論における「ビッグバウンス（跳ね返り）」を模倣したサイクルである。原子が初めて明るいセクターに現れた瞬間は「ビッグバン」と解釈され、原子が完全に暗いセクターに戻った瞬間は「ビッグクランチ」と解釈された。この膨張と収縮の振動サイクルは何度も繰り返され、実験室内にミニチュアの宇宙史を作り出した 。

エントロピー的時間：内部時計の発見

この原子の満ち引きから、研究者らは「エントロピー的時間」を定義した。系全体のエントロピーは保存されているため、セクター間の方向性を持った原子の移動は、明るいセクターにおいて、測定可能な一方向へのエントロピーの流れを生み出す。この流れは、信頼性の高い内部時計として機能し、以下のようないくつかの顕著な性質を示した ：

• 一貫した矢の方向： エントロピー的時間は一貫した方向に流れ、複数回の膨張・再収縮サイクルにわたって、出来事を正しい順序で並べることができた。
• 可変的な速度： この時計の進み方は、セクター間のエントロピー交換の速度に応じて速くなったり遅くなったりした。
• 正確な予測力： バロンティーニ氏は、通常の研究室の時間ではなく、この内部的なエントロピー的時間をパラメータとする実効的なシュレーディンガー方程式のようなものを導出し、それが明るいセクターの測定された進化を正確に再現することを示した。

「熱的死」と時間の終焉

やがて明るいセクターと暗いセクターの間の原子の分布が安定し、変化しなくなると、エントロピー交換も停止した。この時点で、観測されるセクターの視点から見ると、時間は事実上停止したことになる。これは、我々の宇宙が遠い未来に迎えると予測されている「熱的死」の類似現象である 。

この発見が宇宙の理解にとって重要な理由

この実験が重要なのは、物理学の根本的な問いを理論的思索の領域から実験物理学の領域へと移した点にある。閉じた量子系を分割し、エントロピーのダイナミクスだけから時間が出現するのを観察することで、研究チームは「関係論的時間」の構築物に対する初めての制御されたテストベッドを提供した。この発見は、時間が根本的で外部に存在する背景ではなく、観測者が「明るいセクター」と「暗いセクター」の区別を行うのと同様に、より大きな「無時間」な全体の中から部分系を区別したときに生じる、熱力学的な現象であるという考え方を支持するものだ。この卓上のミニチュア宇宙は、現実の宇宙の物理学を探求するための新たな実験的手段を提供している 。