Учени от Университета в Бирмингам създадоха миниатюрен модел на Вселената в лабораторни условия, който може да помогне за изясняването на един от най-фундаменталните въпроси във физиката: дали времето е основна характеристика на реалността, или се появява в резултат на промените, протичащи в самата Вселена. Професор Джовани Баронтини използва облак от приблизително 24 000 атома, охладени до температура само няколко милиардни от градуса над абсолютната нула, за да изгради изолирана квантова система. В нея материята преминава през повтарящи се цикли на разширяване и свиване, наподобяващи в опростен вид Големия взрив и хипотетичния Голям колапс. Най-интересното откритие е, че изследователят успява да проследи хода на времето чрез вътрешните промени в системата, без да използва външен часовник.

Резултатите, публикувани в научното списание Physical Review Research, представляват експериментално доказателство в подкрепа на една интригуваща хипотеза в теоретичната физика – че времето може да не е неизменна и фундаментална съставка на реалността, а да възниква от взаимоотношенията и промените между отделните части на Вселената.

Обикновено възприемаме времето като нещо, което непрекъснато тече напред, независимо от случващото се около нас. Секундите се изнизват, планетите обикалят около звездите, а Вселената се развива. Някои физични теории обаче предполагат, че на най-фундаментално ниво времето може да функционира по съвсем различен начин. Един от примерите е уравнението на Уилър–ДеУит, което се появява в опитите за обединяване на квантовата механика и гравитацията. В тази теоретична рамка Вселената може да бъде описана като единно, непроменящо се квантово състояние, без външен часовник, който да отчита изминаването на времето. Квантовите частици могат да проявяват едновременно вълнови и корпускулярни свойства, но Вселената като цяло не е задължително да притежава собствена, предварително зададена времева променлива.

Това поставя сериозен научен проблем: ако Вселената няма външен часовник, как е възможно събитията да се случват в определена последователност? Какво определя кое събитие настъпва първо и кое след него? Едно от възможните обяснения е, че времето възниква от променящите се взаимоотношения между различните части на Вселената. Именно тази идея професор Баронтини се опитва да провери експериментално, като създава квантова система, чието развитие може да бъде проследено чрез процеси, протичащи вътре в нея.

За създаването на лабораторния модел ученият използва облак от приблизително 24 000 атома, охладени до температура само няколко милиардни от градуса над абсолютната нула. При толкова екстремно ниски температури квантовите ефекти стават особено отчетливи и позволяват на изследователите да изучават поведения на материята, които трудно могат да бъдат наблюдавани при обичайни условия. Атомите са поставени в прецизно контролирана система, която е изолирана от заобикалящата я среда. С помощта на два лазерни лъча с различни честоти е създадена тънка бариера, разделяща системата на две области – наблюдавана, наречена „светла“, и ненаблюдавана, обозначена като „тъмна“.

Въпреки че цялостната система е изолирана от външния свят, атомите могат да преминават между двете области. Именно светлата част преминава през повтарящи се цикли на разширяване и свиване, които наподобяват в опростен вид два от най-драматичните сценарии в космологията. Разширяването напомня Големия взрив, докато последващото свиване наподобява Големия колапс – хипотетичен сценарий за бъдещето на Вселената, при който космическото разширяване постепенно се обръща и материята започва да се свива обратно. Важно е да се уточни, че експериментът не възпроизвежда действителния Голям взрив или реален космически колапс. Той представлява опростен квантов модел, чрез който учените могат да изследват как последователността на събитията може да бъде установена без използването на външен часовник.

Ключът към експеримента се оказва ентропията – фундаментално понятие във физиката, свързано с разпределението на енергията и степента на подреденост или безпорядък в дадена система. Вместо да измерва развитието на процесите в секунди и минути, Баронтини разработва метод за проследяване на времето чрез промените в разпределението на атомите в миниатюрната Вселена. Когато частиците преминават между светлата и тъмната област, разпределението им в наблюдавания сектор се променя. Тези промени позволяват да се определи последователността на събитията и развитието на системата, дори когато тя преминава през редуващи се фази на разширяване и свиване.

Когато разпределението на частиците се променя, вътрешната мярка за време продължава да се развива. Когато то остане непроменено, напредването на тази специфична форма на време на практика спира. Това обаче не означава, че времето буквално спира в лабораторията. Става дума за прекратяване на развитието на вътрешния времеви показател, когато съответните промени в системата отсъстват. Баронтини нарича този феномен „ентропийно време“. Експериментът показва, че то притежава няколко важни характеристики: движи се последователно в една посока, създавайки това, което физиците наричат „стрела на времето“ – разграничението между минало и бъдеще, и позволява правилното подреждане на събитията дори когато миниатюрната Вселена се разширява и свива. Особено интересно е, че ентропийното време не протича непременно с постоянна скорост. То може да се ускорява или забавя в зависимост от начина, по който се променя ентропията в системата.

Баронтини подчертава, че в някои теории за Вселената, особено в тези, свързани с квантовата гравитация, времето не присъства като предварително зададена характеристика. В ежедневието обаче ние възприемаме ясно движение от миналото към бъдещето. Това поражда фундаменталния въпрос защо времето има определена посока, след като повечето основни физични закони работят по един и същи начин както напред, така и назад във времето. Според изследователя неговият експеримент предоставя първото контролирано експериментално доказателство, че времето може да бъде дефинирано чрез промените в самата система, а не непременно чрез външен часовник. Това открива нови възможности за изследване на природата на времето в рамките на квантовата гравитация.

Разликата между ежедневното ни усещане за времето и поведението на фундаменталните физични закони е особено важна. Много от основните уравнения във физиката могат да бъдат приложени както при математическо обръщане на времето, така и при обичайното му движение напред. Нашият опит обаче показва ясно изразена посока – помним миналото, а не бъдещето, и възприемаме събитията в определена последователност. Ентропията отдавна заема централно място в опитите на учените да обяснят тази асиметрия. Новият експеримент надгражда съществуващите знания, като показва как промените в ентропията могат да осигурят практически измерима вътрешна мярка за време в контролирана квантова система.

Изследването има и още един съществен резултат. Баронтини демонстрира, че вариант на уравнението на Шрьодингер – едно от основополагащите уравнения на квантовата механика – може да бъде формулиран чрез ентропийното време. Това уравнение описва как се променя квантовото състояние на дадена система, включително вероятността частиците да се намират на определено място или в конкретно състояние. На практика това означава, че вътрешно генерираната мярка за време може да се използва не само за подреждане на събитията, но и за предсказване на поведението на квантовата система, по начин, сравним с използването на традиционното физическо време.

Изследователите обаче подчертават, че резултатите не доказват, че времето е илюзия, нито че нашата Вселена непременно няма фундаментална времева характеристика. Те показват нещо значително по-конкретно, но също толкова важно: една квантова система може да притежава смислена вътрешна мярка за време, която не зависи от външен часовник. Създаването на лабораторен модел на Вселената само от 24 000 атома предоставя на физиците нов експериментален инструмент за изследване на въпрос, който занимава учените и философите от векове – какво всъщност кара времето да тече?

Снимка: Unsplash

Виж още: Скалa, потънала на 90 километра под земната повърхност, разкри неочаквана загадка