一個由24,000顆原子構成的「迷你宇宙」，剛剛展示了時間如何從熵中湧現

時間的本質是什麼？是像一條奔流不息的長河，還是由更深層的法則所編織出的幻象？伯明翰大學的喬瓦尼·巴隆蒂尼教授（Giovanni Barontini）與其團隊，透過一個桌上型的「迷你宇宙」，為這個千古難題給出了令人驚奇的答案。他們將約24,000顆銣-87原子冷卻到只比絕對零度高出幾十億分之一度的極端低溫，形成一種稱為「玻色-愛因斯坦凝態」（Bose-Einstein condensate）的量子狀態，再以一道極細的雷射光牆將其一分為二，創造出一個擁有「明亮」（觀測）與「黑暗」（隱藏）兩個區塊的封閉量子系統。這項發表於《物理評論研究》（Physical Review Research）的實驗，首次在受控的實驗室環境中證明，一個連貫的時間箭頭，可以在完全孤立的系統內部，純粹依靠其不同部分間的熵交換而自發產生，完全無須仰賴任何外部時鐘。

實驗設定：一個與世隔絕的量子宇宙

這項實驗正面迎戰了量子重力領域中一個長期以來的理論難題，即所謂的「時間問題」。在惠勒-德威特（Wheeler–DeWitt）框架中——這是一種試圖統合量子力學與廣義相對論的規範方法——整個宇宙被一個不隨時間變化的方程式所描述。這暗示著，宇宙可能根本就沒有一個內建的、外在的時鐘。如果時間確實是真實的，那麼它必定是從系統內部以「關係性」的方式湧現出來的。巴隆蒂尼的團隊正是著手在物理上測試這個概念。

他們創造了一個玻色-愛因斯坦凝態——這種物質狀態下的超冷原子會像一個單一的連貫量子的物體一樣集體行動——並將其拘束在一個不會隨時間改變的保守阱中。接著，一道精確調校的光學雷射牆將這團原子雲劃分為一個可被觀測的「明亮」區塊和一個未被觀測的「黑暗」區塊，而原子可以在兩者之間以量子穿隧效應的方式穿越障礙。關鍵在於，整個系統的「精細熵」（fine-grained entropy）是守恆的，這正是一個封閉孤立系統的決定性特徵。因此，明亮區塊中「粗粒化熵」（coarse-grained entropy）的任何變化，都必定源自與隱藏的黑暗區塊之間的熵交換。

觀察時間之箭