Як у лабораторії створили «міні‑Всесвіт» і показали, звідки може з’являтися час
Експериментальна команда Джованні Баронтіні в Університеті Бірмінгема створила в лабораторії ізольований квантовий «міні‑Всесвіт» і продемонструвала, що часовий порядок може виникати зсередини самої системи. Для цього вони використали надохолоджену хмару атомів у стані Бозе‑Ейнштейнівського конденсату, розділили її на дві половини та навмисно ігнорували одну з них — так званий «темний сектор». Результат показав, що час у видимій частині системи можна визначити як зміну ентропії, що тече між цими підсистемами. Ця внутрішня «ентропійна годинникова» могла прискорюватися, уповільнюватися або зовсім зупинятися залежно від обміну ентропією 1.
Зміст
Контекст
У класичній механіці та в більшості практичних застосунків час вводиться як зовнішній параметр, але при спробі поєднати загальну теорію відносності з квантовою механікою виникає проблема: рівняння, які описують всесвіт як єдину замкнену систему (зокрема рівняння Вілера‑Девіда), не містять зовнішнього космічного годинника. Отже постає питання, звідки походить упорядкованість подій і стрілка часу, якщо «зовні» нікого немає 1.
Одна з теоретичних відповідей — реляційний час: час не є фундаментальною величиною, а виникає як співвідношення між частинами системи, коли одна частина слугує годинником для іншої. До цього досі не було прямого експериментального підтвердження такої ідеї в лабораторних умовах. Робота Баронтіні стала першою кількісною перевіркою цієї концепції у контрольованій квантовій системі.
Експериментальна установка і «міні‑Всесвіт»
У центрі експерименту знаходиться Бозе‑Ейнштейнівський конденсат: стан речовини, що виникає при температурах порядку абсолютного нуля, коли тисячі атомів поводяться як єдиний квантовий об’єкт. Конденсат помістили в потенціальну пастку й поділили на дві половини тонким листом лазерного світла. Ці половини дослідники назвали «яскравим сектором» і «темним сектором». Система була настільки добре ізольована від оточення, що не мала зовнішнього годинника, аналогічно уявленню про весь Всесвіт як замкнену систему.
Атоми в яскравому секторі «колихалися» в пастці й періодично переливалися через бар’єр до темного сектору і назад. Моменти напливу Баронтіні умовно назвав «Великим вибухом», а відтік — «Великим стисненням». Паралельно експериментально відстежували, як змінюється ентропія, тобто міра розподіленості енергії та невпорядкованості, між двома підсистемами в моменти цих переносів атомів.
Ключовим рішенням було свідоме ігнорування дослідником частини системи: замість відслідковувати повний стан обох підсистем, експериментатор «закривав очі» на темний сектор. Це призвело до ефективної втрати інформації про повну систему, що формалізувалося у зростанні ентропії доступної (видимої) частини системи.
Ентропійний час
Замість використовувати зовнішній лабораторний час, команда визначила внутрішній часовий параметр через обмін ентропією між двома половинами: коли ентропія передавалася, «ентропійний» годинник ішов, коли обмін припинявся, час зупинявся. Така внутрішня шкала впорядковувала події в яскравому секторі й виявилася синхронною з послідовністю, спостережуваною за лабораторними годинниками, проте її швидкість могла відрізнятися від зовнішньої часової шкали.
Експериментально зафіксували три режими поведінки внутрішнього часу: при інтенсивному обміні ентропією він «прискорювався», при уповільненні обміну — сповільнювався, а коли система досягала рівноваги і обмін ентропією припинявся, внутрішній час зупинявся. Така залежність швидкості часової шкали від ступеня невідомості/ентропії ілюструє, як часовий напрямок і його темп можуть бути не абсолютними властивостями, а результатом інформаційного статусу спостерігача щодо системи.
Додатково дослідники використали цей внутрішній часовий параметр для формулювання варіанту рівняння Шредінгера, і теоретичні розв’язки, отримані з нього, відтворили експериментальні спостереження щодо еволюції яркого сектору. Це підкріплює аргумент, що звичні квантові рівняння динаміки подій можуть бути виражені через внутрішню часову змінну, народжену з ентропійних відносин у замкненій системі.
Інтерпретації та можливі наслідки
Баронтіні зі співробітниками розглядають отримані результати як перше експериментальне підтвердження ідей, що час і стрілка часу можуть виникати через втрату інформації про частини системи. Формально це наближає лабораторні тести до розв’язків фундаментальної проблеми поєднання квантової механіки та гравітації, де поняття зовнішнього часу відсутнє.
Автори підкреслюють, що робота є доказом принципової можливості: контрольовані квантові системи можуть служити «лабораторними Всесвітами» для моделювання фундаментальних процесів — від аналогів чорних дір до умов раннього Всесвіту і моментів можливого «Великого стискання».
Утім дослідження не стверджує, що час — ілюзія, або що запропонована механіка є остаточною інтерпретацією природи часу. Це доказ концепції в контрольованих умовах із конкретною моделлю розділення системи і визначенням внутрішнього часу через ентропію. Подальші експерименти та теоретичні порівняння знадобляться, щоб з’ясувати, наскільки ця схема застосовна до складніших і більш загальних фізичних систем. 2.
Найцікавіше за тиждень
Один лист на тиждень. Без спаму.
Нові статті, добірки та корисні матеріали DAY TODAY — в одному короткому листі.
