Час як ілюзія: як квантовий «міні-всесвіт» дозволив виміряти хід подій без годинника
Питання «Що таке час?» залишається однією з найбільших загадок сучасної науки. Нещодавно фізик із Бірмінгемського університету зробив фундаментальний крок до її розв'язання, створивши в лабораторії штучний «міні-всесвіт». Професор Джованні Баронтіні у своєму дослідженні, опублікованому в авторитетному науковому журналі Physical Review Research, експериментально продемонстрував, як можна вимірювати плин часу взагалі без використання будь-якого годинника. Нові результати пропонують дієву фізичну модель, у якій час не є зовнішнім чинником, а безпосередньо народжується всередині самої системи.
Проблема часу у фундаментальній фізиці
У класичному сприйнятті світ влаштований так, ніби десь ззовні цокає абсолютний космічний годинник, що незалежно відлічує секунди. Проте провідні фізичні теорії, які намагаються об'єднати квантову механіку та загальну теорію відносності (зокрема, знамените рівняння Вілера — Девітта), вказують на парадоксальну річ: на найглибшому фундаментальному рівні Всесвіт не має вбудованого фонового часу.
Рівняння Вілера — Девітта описує космос як єдиний незмінний квантовий стан. Оскільки для Всесвіту в цілому немає жодного «зовнішнього» спостерігача чи стороннього хронометра, будь-яке поняття часу має виникати виключно з внутрішніх зв'язків та взаємодій між його окремими частинами. Досі ця концепція реляційного (відносного) часу залишалася переважно теоретичною абстракцією, але експеримент професора Баронтіні переніс її у практичну площину лабораторії.
Анатомія експерименту: мікросвіт в оптичній пастці
Щоб змоделювати замкнену систему, професор Баронтіні використав хмару з 24 000 ультрахолодних атомів ізотопу рубідій-87. За допомогою складних лазерних систем та магнітних полів атоми охолодили до температур, що складають усього кілька мільярдних часток градуса вище абсолютного нуля: T≈10−9 К
У такому екстремальному стані речовина перетворюється на конденсат Бозе — Айнштайна — особливу квантову сукупність, яка поводиться як єдиний макроскопічний квантовий об'єкт. Цю систему помістили у герметичну вакуумну камеру, повністю ізолювавши від зовнішнього світу, що дозволило отримати чистий аналог замкненого всесвіту з часонезалежним гамільтоніаном.
За допомогою двох переплетених лазерних променів різної частоти вчені створили надтонкий оптичний бар'єр, який розділив атомну хмару на два сектори:
- Спостережуваний («світлий») сектор — зона, яка зазнавала вимірювань.
- Неспостережуваний («темний») сектор — ізольована зона, прихована від прямого детектування.
Атоми могли вільно тунелювати та переміщатися через цей світловий бар'єр. Внаслідок цього руху розподіл густини матерії у світлому секторі циклічно змінювався — він то розширювався, то стискався, дивовижним чином відтворюючи мікроскопічну аналогію Великого вибуху (Big Bang) та Великого стиснення (Big Crunch).
Народження «ентропійного часу»
Головний успіх дослідження полягає в тому, що послідовність подій у квантовому міні-всесвіті вдалося реконструювати виключно на основі процесів усередині світлої зони, без жодного звернення до стандартного лабораторного годинника.
Фізики математично визначили внутрішній параметр, названий ентропійним часом, який вираховується через зміну ступеня безладу (ентропії) та просторового перерозподілу атомів. Коли частки мігрували між зонами, змінюючи густину і збільшуючи або зменшуючи ентропію світлого сектора, система «рухалася вперед у часі».
Що більшим був обмін ентропією, то швидше минав внутрішній час. Коли перерозподіл атомів зупинявся, локальний час ефективно припиняв свій перебіг.
Цей експеримент став першим беззаперечним контрольованим підтвердженням того, що час є емерджентним феноменом — тобто властивістю, яка виникає внаслідок внутрішніх конфігураційних змін у замкненій системі, а не існує самостійно.
Нове рівняння для квантової космології
Баронтіні та його команда зробили ще одне важливе теоретичне і практичне відкриття. Вони довели, що навіть за відсутності абсолютного хронометра базові закони квантової фізики залишаються непохитними. Вченим вдалося переписати фундаментальне рівняння квантової механіки — рівняння Шредінгера, — замінивши класичний зовнішній час на виведений параметр внутрішнього ентропійного часу.
Модифіковане рівняння дозволяє з високою точністю прогнозувати, як змінюватиметься ймовірнісна хмара квантової системи, спираючись лише на її власну внутрішню еволюцію.
Лабораторний полігон для вивчення всесвіту
Створення подібних мікрокосмічних моделей відкриває абсолютно нову еру в астрофізиці та космології. Раніше теорії, що описують перші миті після Великого вибуху, природу квантової гравітації чи процеси всередині чорних дір, вважалися суто умоглядними, оскільки їх неможливо перевірити шляхом безпосередніх космічних спостережень.
Тепер складні космологічні гіпотези стають доступними для точного кількісного тестування на Землі. Використовуючи платформи ультрахолодних атомів як квантові симулятори, науковці зможуть експериментально досліджувати, як поводиться квантове поле у викривленому просторі-часі та як саме зароджувалася тканина нашої реальності на початку існування Всесвіту.