Ученые создали миниатюрную «вселенную» из 24 тысяч атомов, где время возникает без единого механизма
Британские ученые из Университета Бирмингема создали в лаборатории миниатюрную «вселенную» из 24 тысяч сверххолодных атомов, которая позволила им изучать возникновение времени без использования каких-либо часов. Это открытие ставит под сомнение привычное представление о том, что время является неотъемлемым свойством реальности, и предполагает, что его течение от прошлого к будущему может возникать из внутренней динамики системы.
Профессор Джованни Баронтини и его команда сконфигурировали эту модель космоса, используя облако из 24 тысяч атомов рубидия, охлажденных до температуры всего в несколько миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля. Исследователи заключили частицы в изолированную квантовую систему и с помощью двух лазерных лучей сформировали тонкий барьер, который разделил установку на две области.
Одна область оставалась наблюдаемой, или «светлой», а другая была скрыта от прямого наблюдения и стала «темным» сектором. Внутри этого упрощенного космоса светлая область многократно расширялась и сжималась, повторяя циклы, которые теоретически напоминают Большой взрыв с последующим Большим сжатием — сценарий, при котором расширение Вселенной в конечном итоге обращается вспять. Поскольку система оставалась полностью изолированной от внешней среды, ученые смогли восстановить последовательность событий, используя только изменения, происходящие внутри самой мини-вселенной, без необходимости во внешних лабораторных часах.
Эксперимент указывает на концепцию, известную как «энтропийное время». Вместо того чтобы рассматривать время как независимый фон реальности, исследователи связали его течение с изменениями энтропии — то есть с тем, как частицы распространяются внутри системы. Атомы перемещались между светлой и темной областями, изменяя распределение материи. По мере эволюции этого распределения система двигалась вперед во времени, а когда изменения прекращались, время фактически останавливалось.
Команда обнаружила, что эта версия времени течет в одном последовательном направлении, правильно упорядочивая события даже во время повторяющихся циклов расширения и сжатия. При этом темп времени мог ускоряться или замедляться в зависимости от того, как энтропия смещалась внутри системы. Как пояснил профессор Баронтини, в некоторых теориях Вселенной, особенно в квантовой гравитации, время не появляется как встроенная функция, однако в повседневной жизни оно течет из прошлого в будущее, и данное исследование предлагает ответ на вопрос, почему это так, если большинство фундаментальных законов физики работают одинаково как в прямом, так и в обратном направлении.
Баронтини подчеркнул, что это исследование предоставляет контролируемые экспериментальные доказательства того, что изменения внутри системы могут определять время без опоры на внешний механизм, предлагая новое понимание природы времени в квантовой гравитации. Более того, ученые показали, что квантовая механика остается математически непротиворечивой в рамках этой модели: они переписали версию уравнения Шрёдингера, используя энтропийное время, что позволяет делать предсказания об эволюции квантового распределения вероятностей.
Данная работа решает давнюю проблему в физике: как можно выстроить события в осмысленную последовательность «до» и «после», если у Вселенной нет фундаментальных часов. Самое важное, что этот эксперимент превращает абстрактные теоретические дебаты в проверяемую науку. Созданная платформа в будущем позволит исследователям изучать условия, связанные с ранней Вселенной, проверять конкурирующие теории квантовой гравитации и даже моделировать черные дыры в контролируемых лабораторных условиях. На протяжении десятилетий многие из этих вопросов существовали только в сложных уравнениях, но эта миниатюрная вселенная показывает, что физики наконец получили способ проверить некоторые из них на практике.
Исследование в журнале Physical Review Research.