Tajemnica czasu od wieków fascynuje fizyków, filozofów i zwykłych ludzi. Czy czas jest fundamentalną cechą Wszechświata, czy może jedynie efektem ubocznym zmian zachodzących wokół nas? Naukowcy z Wielkiej Brytanii wykonali właśnie eksperyment, który przybliża nas do odpowiedzi na to pytanie. W laboratorium powstał miniaturowy Wszechświat, w którym czas pojawił się sam, bez zegarów, sekundników i zewnętrznych odniesień.
Spoglądamy na zegarki, planujemy dni i żyjemy w głębokim przekonaniu, iż czas to obiektywna, niezależna siła, która po prostu odmierza kolejne sekundy istnienia świata. Fizyka teoretyczna od dekad walczy jednak z zupełnie inną, mało intuicyjną hipotezą – na najbardziej fundamentalnym poziomie rzeczywistości coś takiego jak czas może w ogóle nie istnieć.
Do tej pory były to głównie matematyczne rozważania, których nie dało się zweryfikować. Sytuację zmienia jednak eksperyment przeprowadzony przez fizyka z Uniwersytetu w Birmingham.
Naukowiec zbudował mini-wszechświat, który stanowi krok w kierunku odpowiedzi na jedno z najważniejszych pytań nauki: – Czym jest czas? Publikując swoje odkrycia w
czasopiśmie Physical Review Research, profesor Giovanni Barontini pokazuje, jak można mierzyć upływ czasu bez użycia zegara. Nowe odkrycia stanowią model naukowy, w którym pewna wersja czasu wyłania się z samego eksperymentu.
24 tys. atomów i precyzyjne lasery
Większość z nas wyobraża sobie kosmos jako wielką scenę, na której wydarzenia rozgrywają się w rytm tykania niewidzialnego, uniwersalnego zegara. Tymczasem niektóre z najważniejszych teorii współczesnej nauki, na czele ze słynnym równaniem Wheelera-DeWitta, sugerują coś zupełnie przeciwnego. W swoim najgłębszym wymiarze wszechświat może być całkowicie statyczny. Istnieje jako jeden, niezmienny stan kwantowy, w którym cząstki wykazują jednocześnie adekwatności fal i materii, a cała struktura nie posiada żadnego zewnętrznego czasomierza.
Pułapka magnetooptyczna atomów rubidu o temperaturze około 0,0001 stopnia powyżej zera absolutnego. To dopiero pierwszy krok do zbudowania mini-wszechświata. Źródło: Uniwersytet w BirminghamW takim ujęciu jakiekolwiek poczucie upływu sekund czy minut musi być jedynie efektem wewnętrznych relacji pomiędzy poszczególnymi elementami tworzącymi tę całość. Przełożenie tej teorii na język praktyki było dotychczas niemożliwe. Profesor Giovanni Barontini postanowił jednak sprawdzić ten mechanizm w kontrolowanych warunkach.
Barontini wykorzystał chmurę 24 tys. ultrazimnych atomów, zaledwie kilka miliardowych stopnia powyżej zera absolutnego, do stworzenia hermetycznie zamkniętego układu kwantowego, który naśladuje prosty wszechświat. Cząsteczki zostały uwięzione i podzielone cienką barierą utworzoną z dwóch wiązek laserowych o różnych częstotliwościach, tworząc obszar obserwowany (jasny) i nieobserwowany (ciemny).
Jasny sektor wielokrotnie się rozszerza i zapada, doświadczając czegoś na kształt Wielkiego Wybuchu i Wielkiego Kolapsu, hipotetycznego scenariusza, w którym ekspansja kosmosu ostatecznie się odwraca, a on sam zapada siędo osobliwości. Eksperyment pozwala na rekonstrukcję sekwencji zdarzeń z wnętrza samego mini-wszechświata, bez odniesienia do zewnętrznego zegara laboratoryjnego.
Eksperyment wykazał, iż czas może być wynikiem zmian zachodzących wewnątrz układu kwantowego, a nie istnieć jako coś zewnętrznego, co płynie niezależnie.
Mini-wszechświat pokazał, iż czas można stworzyć z nieuporządkowania, czyli rozproszenia (entropii) atomów i ich zachowania w układzie. Atomy mogły przemieszczać się między obszarami jasnymi i ciemnymi, ale układ był poza tym odizolowany od świata zewnętrznego.
Więcej na Spider’s Web:
Czas rodzi się z chaosu
Kluczem do zrozumienia tego eksperymentu jest pojęcie entropii, czyli stopnia rozproszenia i nieuporządkowania cząstek. Atomy w laboratoryjnym układzie mogły swobodnie przemieszczać się między strefą jasną a ciemną. Gdy rozkład cząstek w sektorze obserwowanym ulegał zmianie, niezależnie od tego, czy akurat się zagęszczały, czy rozpraszały, system zyskiwał mierzalną dynamikę.
Wtedy, w sensie fizycznym, poruszał się naprzód. W momentach, gdy konfiguracja atomów stawała się stabilna i nie ulegała zmianom, czas w miniaturowym wszechświecie dosłownie stawał w miejscu.
Profesor Barontini określił ten mechanizm mianem czasu entropijnego. Badania wykazały, iż posiada on trzy najważniejsze adekwatności, które znamy z codziennego życia:
- płynie tylko w jednym, stałym kierunku, tworząc jednoznaczną strzałkę czasu,
- bezbłędnie ustala kolejność następujących po sobie zdarzeń, choćby w układzie, który gwałtownie się kurczy i rozszerza,
- nie ma stałego tempa, przyspiesza lub zwalnia w bezpośredniej zależności od tego, jak przemieszcza się entropia.
To rozwiązuje poważny zgrzyt w fizyce teoretycznej. Większość podstawowych praw natury działa dokładnie tak samo w przód, jak i w tył. Nowe badanie dostarcza pierwszego dowodu na to, iż kierunek upływu czasu od przeszłości do przyszłości wynika bezpośrednio ze zmian zachodzących wewnątrz zamkniętego układu, a nie z istnienia zewnętrznego, niezależnego płótna, na którym rozpisano dzieje świata.
Laboratoryjny poligon dla astrofizyków
W niektórych teoriach wszechświata, zwłaszcza w teorii grawitacji kwantowej, czas nie pojawia się jako wbudowana cecha. Jednak w życiu codziennym czas płynie z przeszłości do przyszłości. Dlaczego tak jest, skoro większość podstawowych praw fizyki działa tak samo w przód i w tył? Niniejsze badanie dostarcza pierwszych kontrolowanych dowodów eksperymentalnych na to, iż czas można zdefiniować poprzez zmiany w systemie, a nie jako zewnętrzny tykający zegar, który postrzegamy jako czas. Oferuje ono nowe spojrzenie na naturę czasu w grawitacji kwantowej, które może być wykorzystane do opisu dynamiki równie skutecznie, jak czas konwencjonalny – tłumaczy profesor Giovanni Barontini.
Dla naukowców zajmujących się grawitacją kwantową i wczesnymi etapami rozwoju kosmosu otwiera się zupełnie nowy rozdział. Pytania o to, co działo się przed i po w warunkach, w których czas nie był jeszcze uformowany, przestają być wyłącznie domeną filozofujących kosmologów. Nowe podejście umożliwia testowanie konkurencyjnych teorii dotyczących narodzin wszechświata na zwykłym stole laboratoryjnym.
Badanie wykazało również, iż pewną wersję głównego równania mechaniki kwantowej (Schrödingera) można przez cały czas zapisać, wykorzystując czas entropijny, co umożliwia przewidywanie, w jaki sposób chmura prawdopodobieństwa układu kwantowego będzie się zmieniać w czasie.
Eksperyment ma na celu odpowiedź na pytanie, które od dawna nurtuje fizyków – w niektórych teoriach wszechświata nie ma wbudowanego zegara, jak więc można stwierdzić, co było przedtem i potem bez obecności czasu zewnętrznego?
Barontini wykazał, iż układ ten podlega standardowym równaniom fizyki kwantowej i dowodzi, iż głębokie pytania dotyczące natury czasu, zwykle omawiane wyłącznie w teoriach dotyczących wszechświata jako całośc, można sprawdzić w kontrolowanych eksperymentach laboratoryjnych.
Eksperyment ten stanowi solidne laboratorium testowe dla teorii kosmologii kwantowej i grawitacji, co oznacza, iż idee dotyczące wczesnego wszechświata można teraz testować eksperymentalnie w laboratorium.
Podejście to można rozszerzyć na bardziej złożone systemy, co potencjalnie pozwoli badaczom zbadać fizykę Wielkiego Wybuchu i wIELKIEGO kOLAPSU. Można by je również wykorzystać do symulacji czarnych dziur w laboratorium lub testowania konkurencyjnych teorii na temat powstawania czasu we wszechświecie.
