Wielkie równania fizyki, od mechaniki Newtonowskiej, przez mechanikę kwantową, po teorię względności, a w szczególności równanie Wheelera-DeWitta, sugerują, że czas nie ma wbudowanego kierunku, a na najgłębszym poziomie może nawet nie istnieć. To pogląd, który koliduje z inną fundamentalną zasadą: drugą zasadą termodynamiki. Ona z kolei oferuje nam „strzałkę czasu”, wskazującą, że Wszechświat rozpoczął swoje istnienie w stanie uporządkowanym (być może jako nieskończenie gęsty punkt) i nieustannie zmierza w kierunku coraz większego nieuporządkowania.
Aby zbadać naturę czasu i sprawdzić, czy rzeczywiście stanowi on fundamentalną właściwość naszego kosmosu, Giovanni Barontini, fizyk z Uniwersytetu w Birmingham, podjął się niezwykłego wyzwania: stworzył od podstaw swój własny „mini-wszechświat”.
Mini-wszechświat z atomów: Tam, gdzie czas rodzi się na nowo
„To badanie dostarcza pierwszych kontrolowanych dowodów eksperymentalnych na to, że ‘czas’ może być definiowany przez zmiany zachodzące w systemie, a nie przez zewnętrzny ‘tykający zegar’, za który go uważamy” – wyjaśnia Barontini. Aby sprawić, by czas wyłonił się samoczynnie, naukowiec zbudował swój mini-wszechświat z około 24 000 atomów rubidu.
Te atomy zostały schłodzone do zaledwie miliardowych części stopnia powyżej zera absolutnego, tworząc egzotyczną „atomową breję” zwaną kondensatem Bosego-Einsteina. Znany jako piąty stan materii, kondensat Bosego-Einsteina powstaje, gdy cząstki są schładzane do temperatur bliskich zeru absolutnemu; tracą one swoją indywidualność i zaczynają zachowywać się jak zjednoczona, pojedyncza „supercząstka”.
Czytaj także: Czy stan kwantowy to tylko informacja? Uczeni podważają jedno z podstawowych założeń fizyki kwantowej
Barontini uwięził tę niezwykłą substancję w pułapce optycznej dipolowej, która podzieliła ją na dwa sektory za pomocą bariery utworzonej przez skrzyżowanie dwóch wiązek laserowych o różnych częstotliwościach. Ten układ pozwolił na powstanie „jasnego” sektora, który był obserwowany, oraz „ciemnego” sektora, który pozostał nieobserwowany. Okazuje się, że to właśnie ruch atomów w przód i w tył między tymi sektorami pozwolił na wyłonienie się poczucia czasu.
Entropia jako kosmiczny zegar
Barontini porównuje te sektory do nieobserwowanych części naszego prawdziwego Wszechświata: ciemnej materii i ciemnej energii. Innymi słowy, ruch atomów stał się zegarem, dostarczającym poczucia czasu opartego na działaniu entropii, a nie na tykających wskazówkach konwencjonalnego czasomierza. „W eksperymencie obserwowana część systemu wymienia atomy i entropię z częścią nieobserwowaną. Z tej wymiany entropii definiujemy wewnętrzny, ‘entropiczny’ czas” – powiedział Barontini. „Ten czas zwiększa się, gdy entropia jest wymieniana, i zatrzymuje się, gdy wymiana entropii ustaje”.
Oscylacje atomów przez barierę zachodziły rytmicznie, niczym powtarzające się cykle rozszerzającego się Wszechświata (Wielki Wybuch) po których następuje jego zapadanie (Wielki Kolaps). Jest to uderzająco podobne do istniejącej hipotezy sugerującej, że żyjemy w nieskończenie cyklicznym Wszechświecie. W rezultacie poczucie czasu w naturalny sposób wyłoniło się z tej sekwencji zdarzeń, ponieważ przepływ entropii ma kierunek, a to uporządkowanie oparte na entropii nie może się cofnąć.
„Uproszczając: mini-wszechświat nie potrzebuje zewnętrznego parametru do porządkowania zdarzeń; jego własny przepływ entropii mówi, które zdarzenie nastąpi jako następne” – podkreśla Barontini. To przełom, na który czekaliśmy, zmieniający nasze fundamentalne podejście do koncepcji czasu.
Przyszłość fizyki: Testowanie Wszechświata w laboratorium
Takie mini-wszechświaty są nieocenionym poligonem doświadczalnym dla fizyki. Systemy zimnych atomów mogą być precyzyjnie projektowane, aby badać najbardziej tajemnicze mechanizmy Wszechświata. Aby zbadać pytania dotyczące Wielkiego Wybuchu lub potencjalnego Wielkiego Kolapsu, „możemy zmieniać kształt pułapki, wysokość bariery, interakcje między atomami, profil gęstości i sprzężenie między różnymi regionami systemu” – wyjaśnia Barontini. „Na przykład, można by zadać pytanie, czy pozorne załamanie zachowuje się jak osobliwość, czy też zamiast tego zamienia się w odbicie”. Podobnie, można przybliżyć granice czarnych dziur, więżąc atomy po jednej stronie mini-wszechświata.
Tworząc kontrolowany system kwantowy do ilościowego testowania niektórych z tych matematycznych i fizycznych pytań, fizycy mogą również badać zagadkowe aspekty grawitacji kwantowej, w nadziei na osiągnięcie „niemożliwego” marzenia o zjednoczeniu ogólnej teorii względności i mechaniki kwantowej.
Dlatego praca ta „oferuje nowy wgląd w naturę czasu w grawitacji kwantowej, który mógłby być wykorzystany do opisywania dynamiki tak skutecznie, jak czas konwencjonalny” – podsumowuje Barontini. To odkrycie, opublikowane w prestiżowym czasopiśmie Physical Review Research, otwiera zupełnie nowe perspektywy w naszym dążeniu do zrozumienia najbardziej podstawowych praw rządzących rzeczywistością.
