В квантовом мире всё устроено совсем не так, как в привычной реальности. На самых малых масштабах даже такие базовые вещи, как положение и скорость, становятся размытыми. А время в привычном смысле будто бы вообще перестаёт существовать.
Это одна из причин, почему учёным так сложно понять устройство Вселенной, природу реальности и даже вопросы, связанные с сознанием.
Математика ньютоновской физики, квантовой механики, теории относительности и особенно уравнения Уилера — ДеВитта указывает на странную возможность: у времени может не быть встроенного направления, а на самом глубоком уровне оно может даже исчезать.
Но есть и другая сторона. Второй закон термодинамики даёт времени “стрелу”: Вселенная началась в более упорядоченном состоянии, возможно, как бесконечно плотная точка, а затем становится всё более беспорядочной.
Чтобы проверить, является ли время фундаментальным свойством космоса или возникает внутри самой системы, физик Джованни Баронтини из Бирмингемского университета создал в лаборатории “мини-вселенную”.
По его словам, эксперимент впервые дал контролируемое доказательство того, что время можно определять через изменения внутри системы, а не как внешний “тикающий clock”, к которому мы привыкли.
Для этого Баронтини использовал около 24 000 атомов рубидия, охлаждённых почти до абсолютного нуля. В таком состоянии они образуют необычную атомную массу, известную как конденсат Бозе — Эйнштейна.
Это состояние иногда называют пятым состоянием вещества. Когда частицы охлаждают почти до абсолютного нуля, они теряют свою индивидуальность и начинают вести себя как единая “суперчастица”.
Учёный поместил это необычное вещество в оптическую ловушку и разделил его на две области с помощью барьера из двух лазерных лучей разной частоты.
Так появилась “светлая” часть, которую можно было наблюдать, и “тёмная” часть, которая оставалась ненаблюдаемой. Время начало проявляться через движение атомов между этими двумя областями.
Баронтини сравнивает эти части с невидимыми компонентами нашей настоящей Вселенной — тёмной материей и тёмной энергией.
Проще говоря, сами атомы стали часами. Их движение создавало ощущение времени не из-за внешнего механизма, а благодаря обмену энтропией.
В эксперименте наблюдаемая часть системы обменивалась атомами и энтропией с ненаблюдаемой частью. Из этого обмена исследователь определил внутреннее, “энтропийное” время.
Такое время увеличивалось, пока шёл обмен энтропией. Когда обмен прекращался, останавливалось и это внутреннее время.
Атомы ритмично двигались через барьер. Это напоминало повторяющиеся циклы: расширение Вселенной после Большого взрыва, а затем сжатие, похожее на Большой коллапс. Такая картина напоминает гипотезу о том, что Вселенная может существовать в бесконечных циклах.
В результате ощущение времени возникало естественно — просто из последовательности событий. Поток энтропии имел направление, и этот порядок не разворачивался назад.
Как объяснил Баронтини, мини-вселенной не нужен внешний параметр, чтобы упорядочивать события. Её собственный поток энтропии показывает, какое событие следует дальше.
Такие мини-вселенные особенно ценны для физики. Системы из холодных атомов можно очень точно настраивать и использовать для проверки самых загадочных механизмов Вселенной.
Например, можно менять форму ловушки, высоту барьера, взаимодействия между атомами, распределение плотности и связь между разными областями системы.
Так можно исследовать вопросы о Большом взрыве, возможном Большом коллапсе и даже о том, как может вести себя похожее на коллапс состояние: превращается ли оно в сингулярность или вместо этого переходит в новый “отскок”.
Похожим образом можно приближённо моделировать границы чёрных дыр, удерживая атомы с одной стороны мини-вселенной.
Большой взрыв и чёрные дыры когда-то сами были неожиданными открытиями. Поэтому трудно заранее сказать, какие новые идеи могут появиться из экспериментов с такими квантовыми “мини-вселенными”.
Создавая контролируемую квантовую систему, физики получают способ проверять сложные математические и физические вопросы не только на бумаге, но и количественно.
Это может помочь продвинуться в одной из самых трудных задач современной науки — понять квантовую гравитацию и приблизиться к объединению общей теории относительности с квантовой механикой.
Баронтини считает, что его работа даёт новый взгляд на природу времени в квантовой гравитации. Такое внутреннее время может описывать динамику системы так же эффективно, как и привычное время.
Исследование опубликовано в Physical Review Research.
