Profesor Giovanni Barontini opublikował swoje fascynujące odkrycia w prestiżowym czasopiśmie „Physical Review Research”, prezentując naukowy model, w którym wersja czasu wyłania się z samego eksperymentu. To znaczący krok w kierunku zrozumienia fundamentalnej natury czasu.
Czy istnieje niezależny zegar Wszechświata?
W niektórych teoriach fizyki, jak na przykład równanie Wheelera-DeWitta, zakłada się, że na swoim najgłębszym poziomie Wszechświat nie posiada wbudowanego czasu. Zamiast tego istnieje jako pojedynczy, niezmienny stan kwantowy, w którym cząstki wykazują zarówno właściwości falowe, jak i cząsteczkowe. Zgodnie z tymi hipotezami, cały kosmos traktowany jest jako całość pozbawiona zewnętrznego zegara, a wszelkie poczucie czasu musi wyłaniać się z wewnętrznych relacji między jego częściami. To właśnie ta idea stała się inspiracją dla zespołu Barontiniego.
Minikosmos w laboratorium
Aby zbadać tę intrygującą koncepcję, profesor Barontini zbudował coś, co nazwał „minikosmosem”. To hermetycznie zamknięty system kwantowy, który naśladuje prosty wszechświat. W jego sercu znajduje się chmura składająca się z 24 000 ultrachłodnych atomów, schłodzonych do zaledwie kilku miliardowych części stopnia powyżej zera absolutnego. Te niezwykle wrażliwe cząstki zostały uwięzione i podzielone cienką barierą, utworzoną za pomocą dwóch wiązek laserowych o różnych częstotliwościach. W ten sposób powstały dwie odrębne strefy: „jasna” (obserwowana) i „ciemna” (nieobserwowana).
Wewnątrz tego minikosmosu sektor „jasny” wielokrotnie rozszerza się i kurczy, doświadczając czegoś w rodzaju miniaturowego Wielkiego Wybuchu i hipotetycznego Wielkiego Kolapsu (Big Crunch). Co kluczowe, eksperyment umożliwia odtworzenie sekwencji zdarzeń z wnętrza samego minikosmosu, bez jakiegokolwiek odniesienia do zewnętrznego zegara laboratoryjnego. Okazuje się, że czas może wyłaniać się ze zmian zachodzących wewnątrz systemu kwantowego, zamiast istnieć jako coś zewnętrznego, co „tyka” niezależnie.
Czas jako… entropia?
Przeprowadzony eksperyment zademonstrował, że „czas” może być tworzony z nieładu, czyli rozproszenia (entropii) atomów oraz ich zachowania w systemie. Atomy mogły przemieszczać się między regionami „jasnym” a „ciemnym”, ale system pozostawał izolowany od świata zewnętrznego.
Profesor Barontini nazwał ten proces „czasem entropijnym”. Kiedy rozproszenie cząstek w sektorze „jasnym” zwiększało się lub zmniejszało w miarę przemieszczania się atomów, system „poruszał się do przodu w czasie”. Gdy ten rozkład atomów nie ulegał zmianie, czas efektywnie zatrzymywał się. Wersja czasu entropijnego okazała się mieć fascynujące właściwości:
- Płynie w jednym, spójnym kierunku, tworząc wyraźną „strzałkę czasu”.
- Poprawnie porządkuje zdarzenia, nawet w systemie, który rozszerza się i kurczy niczym miniaturowy kosmos.
- Przyspiesza lub zwalnia w zależności od tego, jak przemieszcza się entropia.
Od teorii do eksperymentu: Przełom Barontiniego
„W niektórych teoriach Wszechświata, zwłaszcza w grawitacji kwantowej, czas nie pojawia się jako wbudowana cecha” – wyjaśnia profesor Barontini. „A jednak w życiu codziennym czas płynie od przeszłości do przyszłości – dlaczego tak się dzieje, skoro większość podstawowych praw fizyki działa tak samo do przodu i do tyłu? To badanie dostarcza pierwszych kontrolowanych dowodów eksperymentalnych na to, że ‘czas’ może być definiowany przez zmiany wewnątrz systemu, a nie jako zewnętrzny ‘tykający zegar’, za który go uważamy. Oferuje to nowy wgląd w naturę czasu w grawitacji kwantowej, który może być używany do opisywania dynamiki równie skutecznie, jak czas konwencjonalny.”
Badanie pokazuje również, że wersja głównego równania mechaniki kwantowej (równania Schrödingera) nadal może być zapisana przy użyciu czasu entropijnego, co umożliwia przewidywanie, jak „chmura prawdopodobieństwa” systemu kwantowego będzie zmieniać się w czasie. Eksperyment Barontiniego odpowiada na odwieczne pytanie fizyki: skoro w niektórych teoriach Wszechświata nie ma wbudowanego zegara, to jak określić, co następuje „przed”, a co „po”, bez zewnętrznego czasu?
Co to oznacza dla fizyki? Nowe horyzonty badań
To osiągnięcie stanowi potężne pole do testowania idei z zakresu kosmologii kwantowej i grawitacji. Oznacza to, że koncepcje związane z wczesnym Wszechświatem, które dotychczas były jedynie domeną teorii, mogą być teraz eksperymentalnie weryfikowane w laboratorium. Podejście to może zostać rozszerzone na bardziej złożone systemy, potencjalnie umożliwiając badaczom zgłębianie fizyki Wielkiego Wybuchu i Wielkiego Kolapsu.
Można je również wykorzystać do symulacji czarnych dziur w warunkach laboratoryjnych lub testowania konkurencyjnych teorii na temat tego, jak czas wyłania się we Wszechświecie. Przed nami otwierają się fascynujące perspektywy, które mogą na zawsze zmienić nasze rozumienie jednego z najbardziej podstawowych wymiarów rzeczywistości.
