Ett miniuniversum på 24 000 atomer visar hur tid kan uppstå ur entropi

Professor Giovanni Barontini och hans forskargrupp vid University of Birmingham har konstruerat ett bordsbaserat "miniuniversum" som ger ett oväntat svar på en av fysikens djupaste frågor: vad är tid? Genom att kyla ned ungefär 24 000 rubidium-87-atomer till bara några miljarddelar av en grad över absoluta nollpunkten, skapa ett Bose-Einstein-kondensat och sedan dela molnet med en tunn laserbarriär, skapade forskarna ett slutet kvantsystem med två distinkta delar – en ljus (observerad) sektor och en mörk (dold) sektor. Experimentet, som publicerades i Physical Review Research, utgör det första kontrollerade laboratoriebeviset för att en sammanhängande tidspil kan uppstå inifrån ett totalt isolerat system, enbart baserat på entropiutbyte mellan dess delar och helt utan någon extern klocka.

Experimentuppställningen: ett hermetiskt tillslutet kvantkosmos

Experimentet tar sig an en långvarig teoretisk gåta inom kvantgravitationen, känt som "tidens problem". Inom Wheeler–DeWitt-ramverket – en kanonisk ansats för att förena kvantmekanik och allmän relativitetsteori – beskrivs universum som helhet av en tidsoberoende ekvation. Detta antyder att kosmos inte har någon inbyggd extern klocka. Om tid är verklig, resonerar man, måste den uppstå relationellt inifrån systemet självt. Barontinis grupp satte sig för att testa detta koncept fysikaliskt.

De skapade ett Bose-Einstein-kondensat – ett aggregationstillstånd där ultrakalla atomer beter sig som ett enda sammanhängande kvantobjekt – och höll det i en tidsoberoende konservativ fälla. En noggrant avstämd optisk laservägg delade sedan upp detta moln i en observerad "ljus" sektor och en icke observerad "mörk" sektor, där atomer kunde tunnla eller passera barriären mellan dem. Avgörande är att hela systemets finstrukturentropi förblir konstant, vilket är ett utmärkande drag för ett slutet, isolerat system. Varje förändring i den ljusa sektorns grovstrukturentropi måste därför bero på ett utbyte av entropi med den dolda, mörka sektorn.

Observation av tidens pil

Med systemet förseglat och uppdelat följde gruppen den ljusa sektorns utveckling och upptäckte en anmärkningsvärd serie av kosmologiska motsvarigheter.

Big Bang- och Big Crunch-cykler

Den ljusa sektorn expanderade och kollapsade sedan upprepade gånger i takt med att atomer passerade laserbarriären, en cykel som efterliknar en kosmologisk studs. Det ögonblick då atomer först började befolka den ljusa sektorn tolkades som en "Big Bang", medan deras fullständiga återgång till den mörka sektorn markerade en "Big Crunch". Denna studsande cykel upprepades många gånger och skapade en miniatyr av en återkommande kosmisk historia inuti laboratoriet.

Entropisk tid som en inre klocka

Utifrån detta flöde av atomer definierade forskarna en "entropisk tid". Eftersom hela systemets entropi är bevarad skapade atomernas riktade rörelse mellan sektorerna ett mätbart, envägsflöde av entropi i den ljusa sektorn. Detta flöde fungerade som en tillförlitlig intern klocka som uppvisade flera slående egenskaper:

• En konsekvent riktning: Den entropiska tiden flöt i en och samma riktning och ordnade korrekt händelser över flera expansions- och kollapscykler.
• Variabel hastighet: Klockan snabbades på eller saktade ned beroende på graden av entropiutbyte mellan sektorerna.
• Träffsäker förutsägelse: Barontini härledde en effektiv Schrödinger-liknande ekvation parametriserad av denna interna, entropiska tid – inte konventionell laboratorietid – och visade att den korrekt återgav den uppmätta utvecklingen av den ljusa sektorn.

Värmedöden och tidens slut

När fördelningen av atomer mellan den ljusa och mörka sektorn så småningom stabiliserades och slutade förändras, upphörde entropiutbytet. I detta skede stannade tiden i praktiken ur den observerade sektorns perspektiv – en analogi till den värmedöd som förutspås för vårt eget universum.

Varför detta spelar roll för vår förståelse av universum

Experimentet är betydelsefullt eftersom det flyttar en grundläggande fråga från teoretisk spekulation till experimentell fysik. Genom att dela upp ett slutet kvantsystem och se tiden uppstå enbart ur entropins dynamik, gav forskargruppen den första kontrollerade testbädden för relationella tidskonstruktioner. Deras resultat stöder idén att tiden inte är en fundamental, extern kuliss, utan snarare ett termodynamiskt fenomen som uppstår när en observatör särskiljer ett delsystem – ungefär som skillnaden mellan den ljusa och mörka sektorn – från en större, tidlös helhet. Detta bordsbaserade miniatyruniversum erbjuder nu ett nytt empiriskt fönster för att utforska fysiken i det verkliga kosmos.