เวลาไม่ได้มีอยู่แต่แรก แต่ 'เกิดขึ้น' ได้: การทดลองสุดล้ำจากอะตอม 24,000 ตัว

ทีมของบารอนตินีจึงตั้งใจจะทดสอบแนวคิดนี้จริงๆ ทางกายภาพ พวกเขาสร้างสถานะควบแน่นของโบส-ไอน์สไตน์ ซึ่งเป็นสถานะที่อะตอมเย็นจัดมีพฤติกรรมเป็นวัตถุควอนตัมก้อนเดียวที่เชื่อมโยงกัน และกักมันไว้ในกับดักแบบอนุรักษ์ที่ไม่เปลี่ยนตามเวลา จากนั้นก็ใช้กำแพงเลเซอร์ที่ปรับแต่งมาอย่างดีกั้นระหว่างภาคสว่างที่ถูกสังเกต กับภาคมืดที่ไม่ได้ถูกสังเกต โดยอะตอมสามารถทะลุหรือข้ามกำแพงไปมาได้ หัวใจสำคัญคือ เอนโทรปีละเอียด (Fine-grained Entropy) ของระบบโดยรวมนั้นคงที่ ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของระบบปิดที่แยกตัว ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงใดๆ ในเอนโทรปีหยาบ (Coarse-grained Entropy) ของภาคสว่าง จะต้องเกิดจากการแลกเปลี่ยนเอนโทรปีกับภาคมืดที่ซ่อนอยู่อย่างไม่ต้องสงสัย

การสังเกตลูกศรแห่งเวลา

เมื่อระบบถูกปิดและแบ่งส่วนแล้ว ทีมวิจัยได้ติดตามวิวัฒนาการของภาคสว่าง และค้นพบสิ่งที่คล้ายคลึงกับปรากฏการณ์ทางจักรวาลวิทยาอย่างน่าทึ่ง

วัฏจักรบิ๊กแบงและบิ๊กครันช์

ภาคสว่างขยายตัวและหดตัวกลับซ้ำแล้วซ้ำเล่า ขณะที่อะตอมข้ามกำแพงเลเซอร์ไปมา ปรากฏการณ์นี้เลียนแบบสิ่งที่เรียกว่า "การเด้งกลับทางจักรวาลวิทยา" (Cosmological Bounce) จังหวะที่อะตอมเริ่มเข้ามาอยู่ในภาคสว่างถูกตีความว่าเป็น "บิ๊กแบง" (Big Bang) ส่วนจังหวะที่พวกมันกลับไปยังภาคมืดจนหมดก็คือ "บิ๊กครันช์" (Big Crunch) วัฏจักรเด้งกลับนี้เกิดขึ้นซ้ำหลายครั้ง สร้างประวัติศาสตร์จักรวาลจิ๋วที่เกิดดับซ้ำๆ ภายในห้องแล็บ

'เวลาเอนโทรปิก': นาฬิกาภายในที่เชื่อถือได้

จากการไหลเข้าออกของอะตอมนี้เอง นักวิจัยได้นิยามสิ่งที่เรียกว่า "เวลาเอนโทรปิก" (Entropic Time) ขึ้นมา เพราะเอนโทรปีของระบบรวมถูกอนุรักษ์ไว้ การเคลื่อนที่ของอะตอมที่มีทิศทางระหว่างสองภาคส่วน จึงสร้างกระแสของเอนโทรปีที่วัดได้และมีทิศทางเดียวในภาคสว่าง กระแสนี้เองทำหน้าที่เป็นนาฬิกาภายในที่เชื่อถือได้ ซึ่งแสดงคุณสมบัติอันน่าทึ่งหลายประการ

• ลูกศรที่แน่นอน: เวลาเอนโทรปิกไหลไปในทิศทางเดียวอย่างสม่ำเสมอ และเรียงลำดับเหตุการณ์ได้อย่างถูกต้องตลอดหลายๆ วัฏจักรการขยาย-หดตัว
• ความเร็วที่เปลี่ยนไป: นาฬิกาเดินเร็วขึ้นหรือช้าลง ขึ้นอยู่กับอัตราการแลกเปลี่ยนเอนโทรปีระหว่างสองภาคส่วน
• การทำนายที่แม่นยำ: บารอนตินีได้สร้างสมการที่คล้ายกับสมการชเรอดิงเงอร์ขึ้นมา โดยใช้เวลาเอนโทรปิกภายในนี้เป็นตัวแปร (ไม่ใช่เวลาในห้องแล็บตามปกติ) และแสดงให้เห็นว่ามันสามารถจำลองวิวัฒนาการของภาคสว่างที่วัดได้จริงอย่างแม่นยำ

ความตายเพราะความร้อน และจุดจบของเวลา

เมื่อการกระจายตัวของอะตอมระหว่างภาคสว่างและภาคมืดลงตัวและหยุดเปลี่ยนแปลง การแลกเปลี่ยนเอนโทรปีก็ยุติลง ณ จุดนี้ จากมุมมองของภาคที่ถูกสังเกต 'เวลา' ก็หยุดเดินไปอย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งเปรียบเสมือน 'ความตายเพราะความร้อน' (Heat Death) ที่ถูกทำนายไว้สำหรับเอกภพของเรา

ทำไมการทดลองนี้จึงสำคัญต่อความเข้าใจเอกภพของเรา

ความสำคัญของการทดลองนี้คือการย้ายคำถามพื้นฐานจากโลกของการคาดเดาทางทฤษฎี มาสู่โลกของฟิสิกส์เชิงทดลอง ด้วยการแบ่งระบบควอนตัมปิดและเฝ้าดู 'เวลา' ที่ค่อยๆ ก่อตัวขึ้นจากพลวัตของเอนโทรปีเพียงอย่างเดียว ทีมวิจัยได้สร้างแท่นทดสอบที่ควบคุมได้เป็นครั้งแรก สำหรับแนวคิดเรื่อง 'เวลาเชิงสัมพัทธ์' (Relational Time) การค้นพบของพวกเขาสนับสนุนแนวคิดที่ว่าเวลาไม่ใช่ฉากหลังพื้นฐานที่มีอยู่ภายนอก แต่เป็นปรากฏการณ์ทางอุณหพลศาสตร์ที่เกิดขึ้นเมื่อผู้สังเกตการณ์แยกแยะระบบย่อยหนึ่ง (ภาคสว่าง) ออกจากระบบที่ใหญ่กว่าและไร้กาลเวลา (ภาคมืดและระบบรวม) เอกภพย่อส่วนบนโต๊ะทดลองนี้ ได้เปิดหน้าต่างใหม่เชิงประจักษ์ สำหรับการสำรวจฟิสิกส์ของจักรวาลที่แท้จริงของเรา