Время управляет каждым аспектом человеческого опыта. Часы измеряют его, календари организуют, и каждое событие в истории выстраивается согласно его течению. Однако некоторые из самых глубоких теорий современной физики предполагают, что время может не быть фундаментальным свойством реальности. Согласно некоторым моделям квантовой гравитации, Вселенная на самом фундаментальном уровне может существовать без всяких встроенных часов. В этих теориях время не существует независимо. Оно возникает из отношений между физическими процессами, происходящими внутри самой Вселенной. Новый эксперимент, проведённый физиком Джованни Баронтини из Бирмингемского университета, вынес эту необычную идею из абстрактной математики в лабораторию.
Исследование было сосредоточено на одной из самых сложных проблем теоретической физики, известной как «проблема времени». В обычной физике время действует как универсальный параметр, позволяющий располагать события в последовательности. Будь то описание движения планет, поведения атомов или работы компьютеров, время обеспечивает основу, в которой происходит изменение. Однако когда физики пытаются объединить квантовую механику с гравитацией, картина становится гораздо более сложной. Некоторые уравнения, описывающие всю Вселенную, вообще не содержат внешней временной переменной. Вселенная просто существует как полное квантовое состояние, что порождает глубокий вопрос: если фундаментальные законы не содержат часов, откуда берётся наше переживание времени?
Одним из самых известных примеров этой проблемы является уравнение Уилера — ДеВитта — математическая конструкция, разработанная в ходе попыток построить квантовую теорию гравитации. В отличие от обычных квантовых уравнений, уравнение Уилера — ДеВитта не описывает, как система эволюционирует во времени. Вместо этого оно описывает вневременную квантовую вселенную. На протяжении десятилетий физики спорили о том, как из такого описания могут возникнуть привычные понятия прошлого, настоящего и будущего. Различные предположения предполагали, что время может быть реляционным, то есть оно возникает, когда одна часть системы используется как эталон, относительно которого изменяется другая часть. Хотя эти идеи вызвали огромный интерес, их экспериментальная проверка оставалась чрезвычайно трудной.
Как построить мини-вселенную в лаборатории
Чтобы исследовать этот вопрос, Баронтини и его команда построили то, что они называют миниатюрной аналоговой вселенной, используя конденсат Бозе — Эйнштейна. Это необычное состояние вещества формируется, когда атомы охлаждаются до температур, лишь немногим выше абсолютного нуля. При таких условиях тысячи атомов начинают вести себя как единый квантовый объект, позволяя исследователям изучать квантовые явления в масштабах, которые можно непосредственно наблюдать. Конденсаты Бозе — Эйнштейна стали мощными инструментами для симуляции систем, которые иначе невозможно было бы исследовать, включая чёрные дыры, космологическое расширение и другие явления, обычно ассоциируемые со Вселенной.
В эксперименте использовалось около 24 тысяч атомов рубидия, захваченных в тщательно контролируемой оптической системе. Тонкий барьер, созданный лазерным светом, разделял конденсат на две области. Одна область была обозначена как «яркий сектор», представляющий наблюдаемую часть мини-вселенной. Другая стала «тёмным сектором», представляющим ненаблюдаемое окружение. Атомы могли перемещаться между двумя секторами в зависимости от свойств барьера. Когда атомы входили в яркий сектор, наблюдаемая вселенная расширялась. Когда они возвращались в тёмный сектор, видимая вселенная сжималась. Это создавало повторяющиеся циклы, напоминающие миниатюрные версии Большого взрыва, за которым следует Большое сжатие.
Если смотреть через призму обычного лабораторного времени, поведение выглядело относительно простым. Конденсат расширялся в яркий сектор, достигал максимального размера, снова сжимался, а затем повторял цикл. Настоящая задача заключалась в том, чтобы определить, можно ли описать эволюцию видимой вселенной без обращения к лабораторным часам. Если бы исследователи смогли найти внутреннюю меру, которая правильно упорядочивает события, это обеспечило бы прямую экспериментальную проверку идей, которые до сих пор существовали в основном в теоретических исследованиях квантовой гравитации.
Энтропия как внутренние часы
Решение пришло из энтропии. Энтропию часто описывают как меру беспорядка, хотя физики определяют её более точно через количество микроскопических конфигураций, соответствующих данному физическому состоянию. Энтропия тесно связана со вторым законом термодинамики, который гласит, что энтропия в изолированных системах имеет тенденцию увеличиваться. Эта связь давно сделала энтропию кандидатом на объяснение стрелы времени — причины, по которой физические процессы, кажется, движутся в одном направлении, а не в другом. Бирмингемский эксперимент пошёл дальше, задав вопрос: может ли энтропия сама функционировать как часы?
Исследователи разработали то, что они назвали «энтропийным временем». Вместо измерения течения секунд эти внутренние часы измеряли поток энтропии между ярким и тёмным секторами мини-вселенной. По мере обмена энтропией между двумя регионами энтропийное время продвигалось вперёд. Когда обмен энтропией замедлялся, энтропийное время двигалось медленнее. Когда обмен энтропией полностью прекращался, энтропийное время также останавливалось. Концепция предоставляла способ описать эволюцию видимой вселенной без опоры на какие-либо внешние часы.
Результаты показали, что часы, основанные на энтропии, успешно упорядочили последовательность событий, происходящих в ярком секторе. В нескольких экспериментальных конфигурациях внутренние часы давали согласованную последовательность циклов расширения и сжатия. Видимая вселенная эволюционировала от своего аналога Большого взрыва к своему аналогу Большого сжатия в соответствии с прогрессией энтропии, а не с обычным лабораторным временем. Хотя исследователи по-прежнему записывали измерения с помощью обычных часов, поведение системы могло быть полностью реконструировано через энтропийную основу.
Одно из самых интересных наблюдений возникло, когда исследователи регулировали барьер, разделяющий два сектора. В некоторых конфигурациях энтропия текла быстро между видимой и скрытой областями. При этих условиях энтропийное время продвигалось быстро. В других конфигурациях обмен энтропией становился всё более ограниченным. По мере уменьшения потока внутренние часы замедлялись. Система в конечном итоге приближалась к состоянию, когда обмен энтропией становился незначительным, заставляя энтропийное время почти остановиться. С точки зрения часов, основанных на энтропии, мини-вселенная вошла в состояние, сходное с термодинамическим равновесием.
Связь с судьбой реальной Вселенной
Этот результат имеет поразительное сходство с обсуждениями, касающимися долгосрочной судьбы реальной Вселенной. Космологи часто предполагают, что если энтропия в конечном итоге достигнет максимума, крупномасштабные физические изменения могут фактически прекратиться. В таком сценарии, обычно называемом тепловой смертью, значимые различия между прошлым и будущим исчезли бы, потому что ничего существенного не продолжало бы развиваться. Лабораторная система продемонстрировала упрощённую версию этого процесса. По мере того как обмен энтропией уменьшался, внутренние часы замедлялись до остановки, предоставляя экспериментальный пример того, как течение времени может быть связано с термодинамическими процессами.
Команда также разработала математическую основу, описывающую, как квантовая эволюция может быть выражена с использованием энтропийного времени. Начиная с уравнений, которые не содержат обычного временного параметра, они вывели эффективное уравнение Шрёдингера, управляемое часами, основанными на энтропии. Компьютерные симуляции, основанные на этой структуре, воспроизвели измеренное поведение конденсата с впечатляющей точностью. Согласие между теоретическими предсказаниями и экспериментальными наблюдениями позволяет предположить, что энтропийное описание отражает подлинные особенности системы, а не просто предоставляет удобную математическую интерпретацию.
Что это значит для физики
Важность этой работы выходит за рамки конкретных деталей сверххолодных атомов. Эксперимент не доказывает, что Вселенная работает в соответствии с энтропийным временем, и не демонстрирует, что обычное время является иллюзией. Но он показывает, что физическая система может быть успешно описана с использованием внутренней меры, полученной из обмена энтропией, а не внешних часов. Это достижение является значительным, поскольку оно превращает давнюю философскую и теоретическую идею во что-то, что можно исследовать экспериментально.
На протяжении десятилетий дискуссии об эмерджентном (возникающем) времени в основном были ограничены уравнениями, мысленными экспериментами и конкурирующими интерпретациями квантовой гравитации. Прямые тесты были редки, потому что энергии, необходимые для зондирования квантовой гравитации, остаются далеко за пределами текущих технологических возможностей. Аналоговые системы, такие как конденсаты Бозе — Эйнштейна, предлагают альтернативный путь, позволяя исследователям воссоздавать ключевые особенности этих теорий в лабораторных условиях, где измерения могут быть выполнены с чрезвычайной точностью.
Эксперимент также открывает дверь для будущих исследований, включающих более сложные аналоговые вселенные. Исследователи предполагают, что подобные системы могут быть использованы для изучения космологического расширения, гравитационных явлений, квантовых отскоков, аналогов чёрных дыр и других концепций, связанных с основами физики. По мере того как технология квантовой симуляции продолжает развиваться, станет возможным исследовать всё более сложные вопросы о происхождении времени и структуре самой реальности.
Является ли время фундаментальным или эмерджентным, остаётся одним из величайших нерешённых вопросов науки. Физики продолжают искать теорию, которая объединит гравитацию и квантовую механику в единую структуру, способную описать Вселенную на любом масштабе. Бирмингемский эксперимент не даёт окончательного ответа, но он демонстрирует, что вопрос теперь может быть исследован способами, которые были невозможны всего несколько лет назад. В лаборатории, заполненной сверххолодными атомами, исследователи создали миниатюрную вселенную, наблюдали, как она расширяется и сжимается, и обнаружили, что её история может быть организована энтропией, а не обычными часами. Результат даёт редкое экспериментальное представление об идее, которая очаровывала физиков на протяжении поколений, и предполагает, что истинная природа времени может быть гораздо более странной, чем предполагает повседневный опыт.
