Що ми знаємо про час та його походження — несподіване відкриття вчених

Вчений з Бірмінгемського університету створив «міні-всесвіт», який може допомогти відповісти на одне з найфундаментальніших питань науки: що таке час?

У дослідженні, опублікованому в журналі Physical Review Research, професор Джованні Баронтіні демонструє, що відстежувати плин часу можна без використання годинника. У роботі представлено модель, в якій форма часу природним чином випливає з поведінки досліджуваної системи, пише SciTechDaily.

Деякі наукові теорії припускають, що час не є фундаментальною властивістю Всесвіту. Натомість Всесвіт може існувати як єдиний квантовий стан, що не змінюється, при цьому частинки виявляють як хвильову, так і корпускулярну поведінку. Згідно з цією точкою зору, зовнішніх годинників не існує, а сприйняття часу виникає з взаємозв’язків між різними частинами системи.

Для дослідження цієї ідеї Баронтіні створив герметичну квантову систему, використовуючи хмару з 24 000 ультрахолодних атомів, охолоджених до кількох мільярдних часток градуса вище абсолютного нуля. Атоми були ув’язнені й розділені тонким бар’єром, створеним двома лазерними променями різних частот, утворюючи спостережувану «світлу» область і неспостережувану «темну» область.

Яскрава область багаторазово розширюється та стискається, нагадуючи Великий вибух, за яким слідує Великий колапс — гіпотетичний сценарій, у якому розширення Всесвіту зрештою обертається у зворотному напрямку. Оскільки послідовність подій можна реконструювати зсередини системи, експеримент не вимагає використання зовнішнього годинника.

Результати показують, що час може виникати внаслідок змін, що відбуваються всередині квантової системи, а не існувати як незалежна зовнішня характеристика.

Міні-всесвіт також продемонстрував, що час може виникати з ентропії, розповсюдження або безладу частинок усередині системи. Атоми могли переміщатися між світлими та темними ділянками, тоді як система залишалася ізольованою від зовнішнього світу.

У міру того, як атоми переміщалися всередину та назовні світлої області, розподіл частинок змінювався. Коли цей розподіл збільшувався або зменшувався, система фактично рухалася вперед у часі. Коли розподіл залишався незмінним, час фактично зупинявся. Баронтіні описує цей процес як «ентропійний час», тому що:

• потоки течуть в одному напрямку, створюючи чітку «стрілу часу»;
• воно правильно впорядковує події, навіть у системі, яка розширюється й стискається, наче мініатюрний всесвіт;
• прискорення або уповільнення залежить від способу перерозподілу ентропії.

У деяких теоріях Всесвіту, особливо в квантовій гравітації, час не розглядається як невід’ємна характеристика. Однак у повсякденному житті час тече з минулого в майбутнє — чому це так, якщо більшість основних законів фізики діють однаково як уперед, так і назад?, — міркує професор Баронтіні.

Це дослідження, за його словами, вперше надає контрольовані експериментальні докази того, що «час» можна визначити за змінами всередині системи, а не за зовнішніми «годинниками, що цокають», які ми зазвичай сприймаємо як час. Воно пропонує нове розуміння природи часу в квантовій гравітації, яке можна використовувати для опису динаміки так само ефективно, як і звичайний час.

Дослідження також показує, що варіант рівняння Шредінгера, одного з центральних рівнянь квантової механіки, можна виразити з використанням ентропійного часу. Це дозволяє дослідникам передбачати, як «хмара ймовірностей» квантової системи еволюціонує з часом.