Birmingemo universiteto mokslininkas sukūrė „mini visatą“, kuri žengia žingsnį link atsakymo į vieną iš didžiausių mokslo klausimų: „Kas yra laikas?“. Savo išvadas žurnale „Physical Review Research“ paskelbęs profesorius Giovanni Barontini parodo, kaip įmanoma išmatuoti laiko tėkmę visiškai nenaudojant laikrodžio. Nauji atradimai pateikia mokslinį modelį, kuriame iš paties eksperimento kyla laiko versija.
„Debesis“ stiklo indo viduje yra magnetooptinė rubidžio atomų gaudyklė, kurios temperatūra yra ~0,0001 laipsnio virš absoliutaus nulio. Tai tik pirmas žingsnis „sukuriant“ mini visatą. Šaltinis: Birmingemo universitetas
Kai kurios fizikos teorijos, tokios kaip Wheelerio-DeWito lygtis, teigia, kad giliausiame lygmenyje Visata neturi įtaisyto laiko, o egzistuoja kaip viena, nekintanti kvantinė būsena, kurioje dalelės pasižymi ir bangų, ir dalelių savybėmis. Ji traktuoja Visatą kaip visumą be išorinio laikrodžio, ir bet koks laiko pojūtis turi atsirasti iš vidinių ryšių tarp dalių.
Kaip veikia mini visata
Barontini panaudojo 24 000 ultrašaltų atomų debesį – vos keliomis milijardinėmis laipsnio dalimis virš absoliutaus nulio – kad sukurtų hermetiškai uždarytą kvantinę sistemą, imituojančią paprastą „visatą“. Dalelės buvo sugautos ir padalintos plonu barjeru, suformuotu iš dviejų skirtingų dažnių lazerio spindulių, kad būtų sukurtas stebimas („šviesus“) ir nestebimas („tamsus“) regionas.
„Šviesus“ sektorius pakartotinai plečiasi ir kolapsuoja, patirdamas kažką panašaus į Didįjį sprogimą ir Didįjį susispaudimą – hipotetinį scenarijų, kuriame kosmoso plėtimasis galiausiai apsiverčia. Eksperimentas leidžia atkurti įvykių seką pačioje mini visatoje, be jokios nuorodos į išorinį laboratorinį laikrodį.
Eksperimentas parodė, kad laikas gali atsirasti dėl pokyčių, vykstančių kvantinės sistemos viduje, o ne egzistuoti kaip kažkas išorinio, kas tiksi savarankiškai.
„Mini visata“ parodė, kad „laikas“ gali būti sukurtas iš atomų netvarkos arba sklaidos (entropijos) ir to, kaip jie elgėsi sistemoje. Atomai galėjo judėti tarp „šviesių“ ir „tamsių“ sričių, tačiau sistema kitaip buvo izoliuota nuo išorinio pasaulio.
Entropinis laikas
Kai dalelių sklaida šviesiajame sektoriuje didėjo arba mažėjo, atomams judant į vidų arba iš jo, sistema „judėjo laike į priekį“. Kai šis atomų pasiskirstymas nepasikeitė, laikas faktiškai sustojo. Barontini šį procesą pavadino „entropiniu laiku“, nustatęs, kad ši laiko versija:
teka viena nuoseklia kryptimi, pateikdama aiškią „laiko rodyklę“; teisingai išdėsto įvykius net ir sistemoje, kuri plečiasi ir traukiasi kaip mini kosmosas; greitėja arba lėtėja priklausomai nuo to, kaip juda entropija.
Barontini teigė: „Kai kuriose Visatos teorijose, ypač kvantinės gravitacijos teorijoje, laikas neatrodo kaip integruota savybė. Tačiau kasdieniame gyvenime laikas teka iš praeities į ateitį – kodėl taip yra, kai dauguma pagrindinių fizikos dėsnių veikia vienodai pirmyn ir atgal?
„Šis tyrimas pateikia pirmąjį kontroliuojamą eksperimentinį įrodymą, kad „laikas“ gali būti apibrėžtas pokyčiais sistemos viduje, o ne kaip išorinis „tiksintis laikrodis“, kurį laikome laiku.“ „Tai suteikia naujų įžvalgų apie laiko prigimtį kvantinėje gravitacijoje, kurios galėtų būti naudojamos dinamikai apibūdinti taip pat efektyviai, kaip ir įprastas laikas.“
Tyrimas taip pat parodo, kad pagrindinės kvantinės mechanikos lygties (Šriodingerio) versija vis dar gali būti užrašyta naudojant entropinį laiką, o tai leidžia numatyti, kaip kvantinės sistemos „tikimybių debesis“ keisis laikui bėgant.
Eksperimentas sprendžia seniai fizikoje iškilusį klausimą: kai kuriose Visatos teorijose nėra įmontuoto laikrodžio, tad kaip be išorinio laiko pasakyti, kas yra „prieš“ ir „po“?
Barontini parodė, kad sistema atitinka standartines kvantinės fizikos lygtis ir parodo, kad gilūs klausimai apie laiko prigimtį, paprastai aptariami tik teorijose apie Visatą kaip visumą, gali būti išbandyti kontroliuojamuose laboratoriniuose eksperimentuose.
Eksperimentas suteikia galingą bandymų poligoną kvantinės kosmologijos ir gravitacijos idėjoms, o tai reiškia, kad su ankstyvąja Visata susijusios idėjos dabar gali būti eksperimentiškai išbandytos laboratorijoje.
Šis metodas galėtų būti išplėstas į sudėtingesnes sistemas, potencialiai leidžiant tyrėjams ištirti Didžiojo sprogimo ir „Didžiojo susitraukimo“ fiziką. Jis taip pat galėtų būti naudojamas juodosioms skylėms imituoti laboratorijoje arba išbandyti konkuruojančias teorijas apie tai, kaip laikas atsiranda Visatoje.
Birmingemo universitetas
Giovanni Barontini, Testing the problem of time with cold atoms, Physical Review Research (2026). DOI: 10.1103/1h9j-df4k
Journal information:Physical Review Research