Hoe een 'mini-universum' van 24.000 atomen aantoonde dat tijd kan ontstaan uit entropie

Professor Giovanni Barontini en zijn team aan de Universiteit van Birmingham hebben een 'mini-universum' op tafelformaat gebouwd dat een verrassend antwoord biedt op een van de diepste vragen uit de natuurkunde: wat is tijd? Door ongeveer 24.000 rubidiumatomen af te koelen tot een paar miljardste graad boven het absolute nulpunt, vormden de onderzoekers een Bose-Einsteincondensaat – een exotische toestand waarin alle atomen zich als één enkel coherent kwantumobject gedragen. Vervolgens splitsten ze de atoomwolk met een flinterdunne laserbarrière, waardoor een gesloten kwantumsysteem met twee duidelijk onderscheiden sectoren ontstond: een 'lichte' (waargenomen) en een 'donkere' (verborgen) sector. Het experiment, gepubliceerd in Physical Review Research, levert het eerste gecontroleerde, empirische bewijs dat een consistente pijl van de tijd kan ontstaan binnen een volledig geïsoleerd systeem, puur op basis van entropie-uitwisseling tussen zijn onderdelen, zonder enige externe klok.

De opstelling: een hermetisch gesloten kwantumkosmos

Het experiment pakt een fundamenteel theoretisch probleem binnen de kwantumzwaartekracht aan: het 'probleem van de tijd'. Binnen het Wheeler–DeWitt-raamwerk – een benadering die de kwantummechanica en de algemene relativiteitstheorie probeert te verenigen – wordt het universum als geheel beschreven door een tijdonafhankelijke vergelijking. Dit suggereert dat de kosmos geen ingebouwde externe klok heeft. Als tijd reëel is, zo is de gedachte, moet deze relationeel en intern uit het systeem zelf ontstaan. Barontini's team wilde dit idee fysiek testen.

Hun 'kosmos' bestond uit een Bose-Einsteincondensaat, gevangen in een conservatieve val die niet in de tijd verandert. Een nauwkeurig afgestelde optische laserwand verdeelde deze wolk in de waargenomen lichte sector en de niet-waargenomen donkere sector. De atomen konden via kwantumtunneling of directe oversteek door de barrière bewegen. Het cruciale punt hier is dat de fijnmazige entropie van het totale systeem constant blijft – een kenmerk van een gesloten, geïsoleerd systeem. Elke verandering in de grofmazige entropie die we in de lichte sector meten, moet dus het gevolg zijn van een entropie-uitwisseling met de verborgen donkere sector.

De pijl van de tijd observeren

Met het systeem hermetisch gesloten en opgedeeld, observeerde het team de evolutie van de lichte sector en ontdekte het een opmerkelijke reeks kosmologische parallellen.

Oerknal- en Eindkrak-cycli

De lichte sector zette herhaaldelijk uit en viel daarna weer in, een cyclus die doet denken aan een kosmologische 'bounce'. Het moment waarop de atomen voor het eerst de lichte sector bevolkten, werd geïnterpreteerd als een analogie van de Oerknal. Wanneer alle atomen volledig terugkeerden naar de donkere sector, markeerde dat een 'Eindkrak'. Deze stuiterende cyclus herhaalde zich vele malen, waardoor er in het laboratorium een miniatuur, zich herhalende kosmische geschiedenis ontstond.

Entropische tijd als interne klok

Uit deze eb-en-vloedbeweging van atomen definieerden de onderzoekers een 'entropische tijd'. Omdat de totale entropie van het systeem behouden blijft, creëerde de gerichte beweging van atomen tussen de sectoren een meetbare, eenrichtingsstroom van entropie in de lichte sector. Deze stroom diende als een betrouwbare interne klok met een aantal opvallende eigenschappen:

• Een consistente pijl: De entropische tijd stroomde consequent in één richting en ordende gebeurtenissen correct over meerdere expansie- en inkrimpcycli.
• Variabele snelheid: De klok versnelde of vertraagde afhankelijk van de snelheid van entropie-uitwisseling tussen de sectoren.
• Nauwkeurige voorspelling: Barontini leidde een effectieve, op Schrödinger lijkende vergelijking af die geparametriseerd is door deze interne, entropische tijd – niet door de conventionele labtijd. Hij toonde aan dat deze vergelijking de gemeten evolutie van de lichte sector accuraat beschreef.

Warmtedood en het einde van de tijd

Toen de verdeling van atomen tussen de lichte en donkere sectoren uiteindelijk stabiliseerde en niet langer veranderde, stopte ook de entropie-uitwisseling. Vanuit het perspectief van de waargenomen sector stond de tijd op dat moment effectief stil – een perfect miniatuuranalogon van de warmtedood die voor ons eigen universum voorspeld wordt.

Waarom dit van belang is voor ons begrip van het universum

De betekenis van dit experiment is dat het een fundamentele vraag verplaatst van theoretische speculatie naar experimentele fysica. Door een gesloten kwantumsysteem op te delen en te observeren hoe tijd puur uit entropiedynamiek ontstaat, heeft het team de eerste gecontroleerde testomgeving voor relationele-tijdconstructies opgeleverd. Hun bevindingen ondersteunen het idee dat tijd geen fundamentele, externe achtergrond is, maar eerder een thermodynamisch fenomeen dat verschijnt wanneer een waarnemer een subsysteem onderscheidt van een groter, tijdloos geheel – net zoals het onderscheid tussen de lichte en donkere sectoren in het experiment. Dit tafel-mini-universum biedt nu een nieuw empirisch venster om de fysica van de daadwerkelijke kosmos te verkennen.