24000个原子构成的“迷你宇宙”：时间竟源自混乱度的交换

“时间是什么？”这是物理学最深奥的问题之一。现在，伯明翰大学的乔瓦尼·巴龙蒂尼（Giovanni Barontini）教授和他的团队，通过一个桌面上的“迷你宇宙”，给出了一个令人惊讶的答案。他们将大约24000个铷-87原子冷却到仅比绝对零度高几十亿分之一度的极低温，形成了一种被称为玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）的奇特物质状态，然后用一道极细的激光屏障将这片量子云一分为二。这个发表于《Physical Review Research》的实验，首次在受控的实验室条件下证明，即便没有一个外部的时钟，一个完全孤立的系统内部，也能仅仅通过其各部分之间的熵（混乱度）交换，产生一个自洽的时间箭头。

实验揭秘：一个完全封闭的量子宇宙

这个实验直击量子引力理论中一个名为“时间问题”的长期理论困境。在试图统一量子力学和广义相对论的惠勒-德维特（Wheeler-DeWitt）框架下，宇宙作为一个整体，遵循的是一个与时间无关的方程。这意味着，如果时间真的存在，它一定是从系统内部以“关系性”的方式涌现出来的，而非一个外在的绝对背景。巴龙蒂尼的团队正是为了用物理实验来检验这一概念。

他们创造了一个玻色-爱因斯坦凝聚体，并用一个不随时间变化的稳定势阱将其囚禁。接着，一道精细调节的激光“墙”将这个凝聚体分割成两个部分：一个被观测的“亮区”和一个未被观测的“暗区”。原子可以通过量子隧穿或其他方式在两个区域之间穿越。关键在于，整个系统的“精细熵”是守恒的，这符合孤立系统的定义。因此，“亮区”内任何可观测的“粗粒化熵”的变化，都必然源自其与隐藏“暗区”之间的熵交换。

观察时间的箭头：从宇宙的诞生到终结

在系统被密封并分割后，研究团队追踪了“亮区”的演化，发现了一系列与宇宙学惊人相似的对应现象。

循环上演的“大爆炸”与“大收缩”

随着原子穿越激光屏障，“亮区”反复地膨胀和回缩，这种循环模拟了宇宙学中的“反弹”模型。当原子首次大量涌入“亮区”的那一刻，被解释为一次“大爆炸”；而当它们全部返回“暗区”时，则标志着一次“大收缩”。这种“诞生-毁灭”的循环在实验室中多次重复，上演着一部微缩的、轮回的宇宙史。