Учёный разработал «мини-вселенную» и получил в ней время, измеряемое без помощи часов

Учёный из Бирмингемского университета разработал «мини-вселенную», которая даёт возможность сделать шаг к ответу на один из главных вопросов науки: «Что такое время?» Опубликовав результаты в журнале «Physical Review Research», профессор Джованни Баронтини показывает, как можно измерить течение времени, вообще не прибегая к часам. Новые открытия предлагают научную схема, в которой понятие времени не определяется искусственно, а следует из самого эксперимента.

Некоторые теории физики, такие как уравнение Уилера — Девитта, предполагают, что на самом глубоком уровне у Вселенной нет «встроенного» времени — она существует как единое, неизменное квантовое состояние, в котором частицы проявляют как волновые, так и корпускулярные свойства. В этой теории вселенная рассматривается как целостный объект без внешних «часов», любое ощущение времени в ней возникает из внутренних взаимосвязей между частями.

Баронтини использовал облачный сервис из 24 000 ультрахолодных атомов — всего на некоторое количество миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля — для создания герметично закрытой квантовой системы, имитирующей простую «вселенную». Частицы были захвачены и разделены тонкой барьерной перегородкой, сформированной двумя лазерными лучами разной частоты, чтобы создать наблюдаемую («светлую») и ненаблюдаемую («тёмную») области.

«Светлый» сектор то расширяется, то сжимается, переживая нечто вроде Большого взрыва и Большого сжатия — гипотетического сценария, при котором расширение космоса в конечном итоге меняет направление. Эксперимент даёт возможность восстановить последовательность событий изнутри самой мини-вселенной, без какой-либо привязки к внешним лабораторным часам.

Эксперимент продемонстрировал, что время может возникать из изменений, происходящих внутри квантовой системы, а не существовать как некое внешнее, независимое воздействие.

«Мини-вселенная» продемонстрировала, что «время» может создаваться из энтропии атомов и того, как они ведут себя в системе. Атомы могли перемещаться между «светлыми» и «тёмными» областями, но в остальном система была изолирована от внешнего мира.

Когда количество частиц в светлом секторе увеличивалось или уменьшалось в связи с переходом атомов между областями, система «двигалась вперёд во времени». Когда это распределение атомов не менялось, время фактически останавливалось. Баронтини назвал этот процедура «энтропическим временем» после того, как обнаружил, что эта релиз времени:

• течёт в одном постоянном направлении, давая чёткую «стрелу времени»;

• правильно упорядочивает события, даже в системе, расширяющейся и сжимающейся, как мини-космос;

• ускоряется или замедляется в зависимости от того, как меняется энтропия.

Баронтини сказал: «В некоторых теориях Вселенной, особенно в квантовой гравитации, время не фигурирует в качестве встроенной характеристики. Однако в повседневной жизни время течёт от прошлого к будущему — почему так происходит, если большинство основных законов физики действуют одинаково как в прямом, так и в обратном направлении?

«Это исследование предоставляет первые контролируемые экспериментальные доказательства того, что „время“ можно определить как изменения внутри системы, а не как внешние „тикающие часы“, которые мы считаем временем. Оно предлагает новое понимание природы времени в квантовой гравитации, которое можно применять для описания динамики так же эффективно, как и обычное время».

Исследование равным образом демонстрирует, что версию основного уравнения квантовой механики (Шрёдингера) по-прежнему можно записать с использованием энтропийного времени, что даёт возможность предсказывать, как «облако вероятности» квантовой системы будет меняться со временем.