А что, если время — не фундаментальная часть Вселенной, а нечто, возникающее из изменений, которые в ней происходят? Физик из Бирмингемского университета создал в лаборатории миниатюрную вселенную, которая предлагает неожиданный способ проверить эту гипотезу.
С помощью тысяч атомов, охлаждённых до температур чуть выше абсолютного нуля, профессор Джованни Бароонтини показал, что ход времени можно измерять, не обращаясь к внешним часам. Вместо этого некая форма времени естественным образом возникает из поведения частиц внутри экспериментальной системы.
Результаты, опубликованные в журнале Physical Review Research, дают экспериментальное подтверждение интригующей идее теоретической физики: время может не быть обязательным элементом реальности. Оно может возникать из связей и изменений внутри самой Вселенной.
Почему некоторые физики считают, что время может не быть фундаментальным
Обычно мы представляем время как нечто, что непрерывно движется вперёд независимо от происходящего вокруг. Секунды идут, планеты обращаются вокруг звёзд, Вселенная эволюционирует. Но некоторые физические теории предполагают, что на самом фундаментальном уровне время может работать совсем иначе.
Один из примеров — уравнение Уилера — де Витта, которое возникает в попытках объединить квантовую механику с гравитацией. В этом подходе Вселенную можно описать как единое неизменное квантовое состояние, в котором нет внешних часов, отмеряющих ход времени. Квантовые частицы могут проявлять как волновые, так и корпускулярные свойства, но у Вселенной в целом необязательно есть встроенная переменная времени.
Это создаёт серьёзную загадку. Если у Вселенной нет внешних часов, как что-либо может происходить в определённом порядке? Что определяет, какие события наступают раньше, а какие — позже?
Одна из возможностей состоит в том, что время возникает из меняющихся отношений между разными частями Вселенной. Бароонтини разработал эксперимент, чтобы выяснить, можно ли наблюдать такой процесс в лаборатории.
Миниатюрная вселенная из 24 000 атомов
Чтобы построить свой миниатюрный космос, Бароонтини использовал облако примерно из 24 000 атомов, охлаждённых до нескольких миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля. При таких предельно низких температурах квантовые эффекты становятся особенно важными, что позволяет изучать поведение, которое в обычных условиях трудно наблюдать.
Атомы удерживались внутри тщательно контролируемой квантовой системы, рассчитанной на изоляцию от окружения. Два лазерных луча с разными частотами создали тонкий барьер, разделивший систему на две области: наблюдаемую («светлую») и ненаблюдаемую («тёмную»).
Хотя система в целом была изолирована от внешнего мира, атомы могли перемещаться между этими двумя областями.
В светлой области происходили повторяющиеся циклы расширения и сжатия, напоминавшие упрощённые версии двух драматических космологических событий. Расширение было аналогом Большого взрыва, а сжатие напоминало Большое сжатие — гипотетический сценарий судьбы Вселенной, при котором космическое расширение в конце концов обращается вспять и всё коллапсирует внутрь.
Эксперимент не воспроизводил сами эти космические события. Он предоставил упрощённую квантовую модель, в которой исследователи могли изучать, как можно восстановить последовательность событий, не обращаясь к часам вне системы.
Как время возникло без часов
Ключом к эксперименту стала энтропия — понятие физики, связанное с рассеянием или беспорядком (энтропией) частиц и энергии.
Вместо секунд и минут Бароонтини разработал способ отслеживать время по изменениям в распределении атомов внутри миниатюрной вселенной.
По мере того как атомы перемещались между светлой и тёмной областями, распределение частиц в светлой области менялось. Эти изменения позволили определить продвижение системы во времени, даже когда светлая область переходила от расширения к сжатию и обратно.
Когда разброс распределения частиц увеличивался или уменьшался, система продолжала двигаться вперёд согласно этой внутренней мере времени. Когда распределение оставалось неизменным, ход этой конкретной формы времени фактически прекращался.
Важно, что это не означало, будто время в лаборатории буквально остановилось. Это означало, что внутренняя мера времени переставала идти вперёд, когда исчезали соответствующие изменения в системе.
Бароонтини назвал эту концепцию «энтропийным временем». Эксперимент показал, что у такой формы времени есть несколько важных свойств. Оно движется стабильно в одном направлении, задавая то, что физики называют «стрелой времени», — различие между прошлым и будущим. Оно также расставляет события в правильной последовательности, даже когда миниатюрная вселенная расширяется и сжимается.
Пожалуй, самое удивительное: энтропийное время идёт не всегда с одинаковой скоростью. Его ход может ускоряться или замедляться в зависимости от того, как меняется энтропия внутри системы.
Новая подсказка к одной из главных загадок физики
Профессор Бароонтини сказал: «В некоторых теориях Вселенной, особенно в квантовой гравитации, время не появляется как встроенная характеристика. Однако в повседневной жизни время течёт из прошлого в будущее. Почему так происходит, если большинство базовых законов физики одинаково работают вперёд и назад?
Это исследование даёт первое контролируемое экспериментальное свидетельство того, что „время“ можно определить через изменения внутри системы, а не как внешние „тикающие часы“, которые мы привыкли считать временем. Оно даёт новое понимание природы времени в квантовой гравитации, которое можно использовать для описания динамики так же эффективно, как и обычное время».
Различие между повседневным временем и фундаментальными законами физики особенно важно. Многие фундаментальные физические уравнения одинаково хорошо работают и при математическом обращении времени, и при его движении вперёд. Но наш опыт восприятия мира имеет чёткое направление: мы помним прошлое, а не будущее, и события разворачиваются в узнаваемой последовательности.
Энтропия давно играет центральную роль в объяснении этого различия. Эксперимент Бароонтини развивает эту связь дальше, показывая, как изменения энтропии могут служить operationalной мерой времени внутри контролируемой квантовой системы.
Результаты также выходят за рамки простого упорядочивания событий в правильной последовательности.
Бароонтини показал, что вариант уравнения Шрёдингера — одного из основополагающих уравнений квантовой механики (Шрёдингер) — можно выразить через энтропийное время. Это уравнение описывает, как эволюционирует квантовое состояние системы, включая изменения вероятности обнаружить частицы в определённых местах или состояниях.
Иными словами, внутренне порождаемую меру времени всё равно можно использовать для предсказаний о поведении квантовой системы — так же, как обычное время используется в стандартной квантовой механике.
Поможет ли крошечная вселенная объяснить Большой взрыв?
Десятилетиями вопросы о происхождении и фундаментальной природе времени в основном относились к теоретической физике, в частности к квантовой космологии и квантовой гравитации. Эти области пытаются понять, как ведёт себя Вселенная, когда квантовые эффекты и гравитацию нужно рассматривать вместе, в том числе в экстремальных условиях ранней Вселенной.
Эксперимент Бароонтини предлагает способ изучать некоторые из этих идей на физических системах, которые учёные могут создавать, изменять и наблюдать.
Миниатюрная вселенная по-прежнему подчинялась известным уравнениям квантовой физики, но при этом давала иной способ описания своей эволюции. Это делает её потенциально ценной площадкой для проверки теорий, в которых время не считается существующим независимо от изучаемой системы.
В будущих экспериментах этот подход можно распространить на более сложные квантовые системы, что позволит подробнее исследовать модели Большого взрыва и Большого сжатия. Похожие методы со временем могут помочь смоделировать некоторые аспекты чёрных дыр или различить конкурирующие объяснения того, как возникает время.
Эксперимент не доказывает, что время — иллюзия, и не подтверждает, что в нашей Вселенной нет фундаментального времени. Он демонстрирует то, что раньше было трудно проверить: квантовая система может обладать осмысленной внутренней мерой времени, не завися от внешних часов.
Создав миниатюрную вселенную всего из 24 000 атомов, исследователи получили новый экспериментальный инструмент для изучения вопроса, который на протяжении веков занимал физиков и философов: что заставляет время течь?