Wszystko po to, by poszukać odpowiedzi na jedno z najistotniejszych pytań w dziedzinie fizyki: skąd bierze się czas? W laboratorium stworzyli wspomniany układ, wykorzystując około 24 tysięcy ultrazimnych atomów. Ze zgromadzonych informacji wynika, że upływ czasu można opisywać bez odwoływania się do zewnętrznego zegara.
Czytaj też: Fizycy złamali jedną z podstawowych zasad. Dwa elektrony dokonały czegoś, co miało być niemożliwe
Oczywiście dywagacje nad czasem można rozpatrywać na wiele sposobów. Jedno jest natomiast pewne: towarzyszy nam on w zasadzie wszędzie. Mierzymy go zegarkami, obserwujemy następstwo pór roku i wiemy, że przeszłość różni się od przyszłości. Na najbardziej podstawowym poziomie fizyki jego natura wcale nie jest jednak tak oczywista. Niektóre teorie sugerują wręcz, że czas nie jest fundamentalną właściwością wszechświata, lecz zjawiskiem wyłaniającym się ze zmian zachodzących wewnątrz niego.
Właśnie tę hipotezę postanowił zbadać profesor Giovanni Barontini z Uniwersytetu w Birmingham. Jego eksperyment, którego wyniki trafił na łamy Physical Review Research, dostarczył kontrolowanych dowodów eksperymentalnych na możliwość definiowania czasu za pomocą wewnętrznych procesów zachodzących w układzie kwantowym. Badacz wykorzystał chmurę około 24 tysięcy atomów schłodzonych do temperatury zaledwie kilku miliardowych części stopnia powyżej zera absolutnego. W tak ekstremalnych warunkach szczególnie wyraźnie ujawniają się zjawiska kwantowe, które w zwykłych warunkach trudno zaobserwować.
Atomy umieścił w precyzyjnie kontrolowanym, odizolowanym od otoczenia układzie. Dwie wiązki laserowe o różnych częstotliwościach utworzyły barierę dzielącą go na dwa obszary: obserwowany oraz nieobserwowany. Cząstki mogły przemieszczać się między tymi regionami, a ich rozmieszczenie nieustannie się zmieniało. Szybko na pierwszy plan wysunęło się zachowanie obserwowanej części układu, która przechodziła naprzemienne cykle rozszerzania i kurczenia. Przypominało to w uproszczonej formie dwa hipotetyczne wydarzenia kosmologiczne: Wielki Wybuch oraz Wielki Kolaps, czyli możliwy scenariusz odwrócenia ekspansji wszechświata.
Nie oznacza to oczywiście, że naukowcy odtworzyli prawdziwy początek kosmosu. Stworzyli model kwantowy pozwalający badać mechanizmy, które mogą mieć znaczenie dla zrozumienia ewolucji wszechświata. Najważniejszym aspektem eksperymentu okazała się entropia, czyli wielkość fizyczna związana między innymi z rozproszeniem energii i stanów cząstek. Zamiast korzystać z tradycyjnego pomiaru sekund i minut, Barontini wykorzystał zmiany w rozmieszczeniu atomów jako sposób określania kolejności zdarzeń. Wraz z przemieszczaniem się cząstek między dwoma obszarami zmieniało się ich rozłożenie w obserwowanej części układu. Tym sposobem można było określać, jak ewoluuje układ. Tak powstała koncepcja zwana czasem entropijnym.
Czytaj też: Fizycy uwięzili antycząstkę na długie tygodnie. Mówią, że to klucz do rozwikłania tajemnicy wszechświata
Co istotne, sposób mierzenia czasu Barontiniego zachowywał kierunek od przeszłości do przyszłości, nawet gdy badany układ przechodził przez fazy rozszerzania i kurczenia. Oznacza to, że pozwalał uporządkować wydarzenia bez zewnętrznego zegara. Tempo tak rozumianego czasu nie musiało być jednak stałe. Mogło przyspieszać lub zwalniać w zależności od zmian entropii. Gdy odpowiednie zmiany w układzie ustawały, przestawała również postępować jego wewnętrzna miara czasu. Nie oznaczało to jednak dosłownego zatrzymania czasu w laboratorium.
Niewątpliwy sukces autora będzie miał znaczenie zarówno dla fizyki kwantowej, jaki prób połączenia mechaniki kwantowej z teorią grawitacji. W niektórych matematycznych opisach wszechświata, między innymi związanych z równaniem Wheelera-DeWitta, czas nie występuje jako niezależna zmienna. Powstaje więc pytanie, jak wyjaśnić następstwo zdarzeń, jeśli cały wszechświat nie potrzebuje zewnętrznego zegara. Eksperyment Barontiniego pokazuje, iż można opisać ewolucję układu kwantowego za pomocą czasu wyznaczanego przez jego własne właściwości. Badacz wykazał również, że odpowiednią wersję równania Schrödingera można sformułować z wykorzystaniem czasu entropijnego, zachowując możliwość przewidywania zachowania układu.
Źródło: Physical Review Research
