Kwantowy mini-Wszechświat na stole laboratoryjnym pokazuje, jak czas wyłania się z entropii

Profesor Giovanni Barontini i jego zespół z Uniwersytetu w Birmingham skonstruowali na stole laboratoryjnym „mini-Wszechświat”, który dostarcza zaskakującej odpowiedzi na jedno z najgłębszych pytań fizyki: czym jest czas? Schładzając około 24 000 atomów rubidu-87 do zaledwie kilku miliardowych stopnia powyżej zera absolutnego, tworząc kondensat Bosego-Einsteina i rozdzielając chmurę cienką barierą laserową, badacze stworzyli zamknięty układ kwantowy z dwoma odrębnymi sektorami – jasnym (obserwowanym) i ciemnym (ukrytym). Eksperyment, opublikowany w czasopiśmie Physical Review Research, dostarcza pierwszych kontrolowanych dowodów laboratoryjnych na to, że spójna strzałka czasu może wyłonić się z całkowicie izolowanego systemu, opierając się wyłącznie na wymianie entropii między jego częściami, bez udziału jakiegokolwiek zewnętrznego zegara .

Eksperymentalny układ: Hermetycznie zamknięty kwantowy kosmos

Eksperyment mierzy się z długotrwałą zagadką teoretyczną w kwantowej grawitacji, znaną jako „problem czasu”. W ramach teorii Wheelera-DeWitta – jednej z kanonicznych prób zunifikowania mechaniki kwantowej z ogólną teorią względności – Wszechświat jako całość opisywany jest równaniem niezależnym od czasu. Sugeruje to, że kosmos nie posiada wbudowanego, zewnętrznego zegara. Jeśli czas jest realny, jak głosi to rozumowanie, musi on wyłaniać się relacyjnie z wnętrza samego układu. Zespół Barontiniego postanowił przetestować tę koncepcję fizycznie .

Naukowcy wytworzyli kondensat Bosego-Einsteina – stan skupienia materii, w którym ultrazimne atomy działają jak jeden spójny obiekt kwantowy – i utrzymywali go w czasowo-niezależnej, zachowawczej pułapce. Starannie dostrojona, optyczna bariera laserowa podzieliła następnie tę chmurę na obserwowany sektor „jasny” i nieobserwowany sektor „ciemny”, umożliwiając atomom tunelowanie lub przekraczanie bariery między nimi. Co kluczowe, globalna entropia mikroskopowa (drobnoziarnista) układu pozostaje stała, co jest cechą definiującą układ zamknięty i izolowany. Każda zmiana entropii makroskopowej (gruboziarnistej) w sektorze jasnym musi więc wynikać z wymiany entropii z ukrytym sektorem ciemnym .

Obserwacja strzałki czasu

Mając układ zamknięty i podzielony, zespół śledził ewolucję sektora jasnego i odkrył niezwykłą serię kosmologicznych analogii.

Cykle Wielkiego Wybuchu i Wielkiego Kolapsu

Sektor jasny wielokrotnie rozszerzał się, a następnie zapadał, gdy atomy przekraczały barierę laserową – cykl ten naśladuje kosmologiczne „odbicie”. Moment, w którym atomy po raz pierwszy zaczęły zasiedlać sektor jasny, został zinterpretowany jako „Wielki Wybuch”, podczas gdy ich całkowity powrót do sektora ciemnego oznaczał „Wielki Kolaps”. Ten „odbijający się” cykl powtarzał się wielokrotnie, tworząc miniaturową, powtarzalną historię kosmiczną w warunkach laboratoryjnych .

Czas entropowy jako wewnętrzny zegar

Na podstawie tego przypływu i odpływu atomów badacze zdefiniowali „czas entropowy”. Ponieważ całkowita entropia układu jest zachowana, ukierunkowany ruch atomów między sektorami wytworzył mierzalny, jednokierunkowy przepływ entropii w sektorze jasnym. Przepływ ten posłużył jako niezawodny wewnętrzny zegar, który wykazywał kilka uderzających właściwości :

• Stała strzałka: Czas entropowy płynął w jednym, spójnym kierunku, prawidłowo porządkując zdarzenia w wielu cyklach rozszerzania i ponownego zapadania.
• Zmienna prędkość: Zegar przyspieszał lub zwalniał w zależności od tempa wymiany entropii między sektorami.
• Dokładne przewidywania: Barontini wyprowadził efektywne równanie typu Schrödingera, sparametryzowane tym wewnętrznym, entropowym czasem – a nie konwencjonalnym czasem laboratoryjnym – i wykazał, że dokładnie odtwarza ono zmierzoną ewolucję sektora jasnego.

Śmierć cieplna i koniec czasu

Kiedy rozkład atomów między sektorem jasnym a ciemnym ostatecznie się ustabilizował i przestał się zmieniać, wymiana entropii ustała. W tym momencie, z perspektywy sektora obserwowanego, czas efektywnie się zatrzymał – co stanowi analogię śmierci cieplnej przewidywanej dla naszego własnego Wszechświata .

Dlaczego to ma znaczenie dla naszego rozumienia Wszechświata

Znaczenie eksperymentu polega na tym, że przenosi on fundamentalne pytanie ze sfery spekulacji teoretycznych do dziedziny fizyki eksperymentalnej. Dzieląc zamknięty układ kwantowy na części i obserwując, jak czas wyłania się wyłącznie z dynamiki entropii, zespół stworzył pierwsze kontrolowane środowisko testowe dla koncepcji czasu relacyjnego. Ich odkrycia wspierają ideę, że czas nie jest fundamentalnym, zewnętrznym tłem, lecz raczej zjawiskiem termodynamicznym, które pojawia się, gdy obserwator wyróżnia podukład – podobnie jak rozróżnienie między sektorem jasnym a ciemnym – z większej, ponadczasowej całości. Ten miniaturowy Wszechświat na stole laboratoryjnym otwiera teraz nowe empiryczne okno do badania fizyki rzeczywistego kosmosu .