Zespół kierowany przez Giovanniego Barontiniego z Uniwersytetu w Birmingham stworzył w laboratorium miniaturowy model wszechświata i zaobserwował, że coś przypominającego upływ czasu może pojawić się samoistnie, bez udziału jakiegokolwiek zewnętrznego zegara.
Problem czasu od lat należy do największych zagadek współczesnej fizyki. Dwie najważniejsze teorie opisujące rzeczywistość, czyli mechanika kwantowa i ogólna teoria względności, doskonale sprawdzają się w swoich obszarach, jednak trudno je połączyć w jedną spójną teorię. Gdy fizycy próbują stworzyć teorię grawitacji kwantowej, w niektórych równaniach czas całkowicie znika. Szczególnie dotyczy to słynnego równania Wheelera-DeWitta, które opisuje wszechświat jako całość, lecz nie zawiera żadnego wewnętrznego zegara odmierzającego kolejne chwile.
Czytaj też: Historia pisze się na naszych oczach! Fizycy opracowali działający zegar, jakiego jeszcze nie było
Aby sprawdzić, czy czas może być zjawiskiem wyłaniającym się z relacji między elementami układu, Barontini zaprojektował niezwykle precyzyjny eksperyment. Wykorzystał około 24 tysięcy atomów rubidu schłodzonych do temperatury niemal równej zeru absolutnemu. Tak ekstremalne warunki pozwalają obserwować zachowania kwantowe, które w normalnych temperaturach pozostają niewidoczne. Atomy były zamknięte w pułapce laserowej i podzielone cienką świetlną barierą tak, aby znajdowały się na dwóch obszarach. Jeden z nich podlegał obserwacji, podczas gdy drugi pozostawał ukryty.
Naukowcy zauważyli, że atomy zaczęły przepływać pomiędzy obiema częściami układu. Z perspektywy obserwowanej strefy wyglądało to zaskakująco podobnie do procesów zachodzących we wszechświecie. Najpierw następował gwałtowny napływ materii przypominający Wielki Wybuch, później rozszerzanie się tego miniaturowego kosmosu, a następnie jego kurczenie się i zapadanie w procesie porównywanym do hipotetycznego Wielkiego Kolapsu. Cykl ten powtarzał się wielokrotnie.
Najważniejszym elementem eksperymentu okazała się entropia, a więc wielkość opisująca stopień nieuporządkowania układu. W fizyce właśnie wzrost entropii jest najczęściej uznawany za źródło strzałki czasu, czyli kierunku, w którym postrzegamy upływ kolejnych wydarzeń. Badacze postanowili więc zbudować nowy rodzaj zegara oparty wyłącznie na zmianach entropii zachodzących wewnątrz eksperymentu.
Rezultaty okazały się niezwykle interesujące. Wewnętrzny zegar entropijny potrafił uporządkować wszystkie obserwowane zdarzenia bez korzystania z jakiegokolwiek zewnętrznego pomiaru czasu. Gdy przepływ entropii był intensywny, czas płynął szybko. Kiedy wymiana entropii ustawała, czas w praktyce zatrzymywał się, mimo że laboratoryjne zegary nadal odmierzały kolejne sekundy. W pewnych momentach pomiędzy fazą zapadania a kolejnym “wielkim wybuchem” nie następowała żadna wymiana entropii. Z punktu widzenia tego nowego zegara taki okres praktycznie nie istniał.
Czytaj też: Wszechświat pełen zagadek. Przełomowa ankieta ujawnia podziały wśród fizyków w fundamentalnych kwestiach
Badacze stworzyli następnie model matematyczny wykorzystujący wyłącznie ten wewnętrzny pomiar czasu i porównali jego przewidywania z rzeczywistymi wynikami eksperymentu. Okazało się, że zgodność była bardzo wysoka, co sugeruje, iż koncepcja czasu wyłaniającego się z procesów zachodzących wewnątrz układu może mieć realne podstawy fizyczne.
Oczywiście to nie tak, że eksperyment dowodzi, iż cały wszechświat działa dokładnie w taki sposób. Miniaturowy model składający się z ultrazimnych atomów jest jedynie analogią pozwalającą badać idee związane z kosmologią kwantową. Nie oznacza to również, że czas jest iluzją. Pokazuje natomiast coś innego: to, co postrzegamy jako upływ czasu, może wynikać z głębszych procesów zachodzących w naturze, a nie stanowić jej najbardziej podstawowego składnika.
Źródło: Physical Review Research
