Ένας επιστήμονας από το Πανεπιστήμιο του Μπέρμιγχαμ κατασκεύασε ένα «μίνι-σύμπαν» που κάνει ένα σημαντικό βήμα προς την απάντηση σε ένα από τα μεγαλύτερα ερωτήματα της επιστήμης:
«Τι είναι ο χρόνος;». Δημοσιεύοντας τα ευρήματά του στο Physical Review Research, ο καθηγητής Giovanni Barontini δείχνει πώς είναι δυνατόν να μετρηθεί η ροή του χρόνου χωρίς τη χρήση ρολογιού, παρέχοντας ένα επιστημονικό μοντέλο στο οποίο μια εκδοχή του χρόνου αναδύεται μέσα από το ίδιο το πείραμα.
Ορισμένες θεωρίες της φυσικής, όπως η εξίσωση Wheeler-DeWitt, υποδηλώνουν ότι, στο βαθύτερο επίπεδό του, το σύμπαν δε διαθέτει ενσωματωμένο χρόνο, αλλά υπάρχει ως μια ενιαία, αμετάβλητη κβαντική κατάσταση στην οποία τα σωματίδια εμφανίζουν τόσο κυματικές όσο και σωματιδιακές ιδιότητες. Αντιμετωπίζει το σύμπαν ως σύνολο χωρίς εξωτερικό ρολόι, και κάθε αίσθηση του χρόνου πρέπει να αναδύεται από τις εσωτερικές σχέσεις μεταξύ των μερών του.
Πώς λειτουργεί το κβαντικό μίνι-σύμπαν
Ο Barontini χρησιμοποίησε ένα νέφος 24.000 υπερψυχρών ατόμων – μόλις λίγα δισεκατομμυριοστά του βαθμού πάνω από το απόλυτο μηδέν – για να δημιουργήσει ένα ερμητικά σφραγισμένο κβαντικό σύστημα που μιμείται ένα απλό «σύμπαν». Τα σωματίδια παγιδεύτηκαν και χωρίστηκαν με ένα λεπτό φράγμα που σχηματίστηκε από δύο ακτίνες λέιζερ διαφορετικών συχνοτήτων, δημιουργώντας μια παρατηρούμενη («φωτεινή») και μια μη παρατηρούμενη («σκοτεινή») περιοχή.
Ο «φωτεινός» τομέας επεκτείνεται και καταρρέει επανειλημμένα, βιώνοντας κάτι παρόμοιο με ένα Big Bang και ένα Big Crunch – ένα υποθετικό σενάριο στο οποίο η διαστολή του σύμπαντος τελικά αντιστρέφεται.
Το πείραμα επιτρέπει την ανακατασκευή της αλληλουχίας των γεγονότων από το εσωτερικό του ίδιου του μίνι-σύμπαντος, χωρίς καμία αναφορά σε εξωτερικό εργαστηριακό ρολόι. Το πείραμα απέδειξε ότι ο χρόνος θα μπορούσε να αναδυθεί από αλλαγές που συμβαίνουν στο εσωτερικό ενός κβαντικού συστήματος, αντί να υπάρχει ως κάτι εξωτερικό που κυλάει ανεξάρτητα.
Ο εντροπικός χρόνος σε δράση
Όταν η διασπορά των σωματιδίων στον φωτεινό τομέα αυξανόταν ή μειωνόταν καθώς τα άτομα μετακινούνταν μέσα ή έξω, το σύστημα «κινείτο προς τα εμπρός στον χρόνο». Όταν αυτή η κατανομή των ατόμων δεν άλλαζε, ο χρόνος ουσιαστικά σταματούσε. Ο Barontini ονόμασε αυτή τη διαδικασία «εντροπικό χρόνο», διαπιστώνοντας ότι αυτή η εκδοχή του χρόνου:
- Ρέει προς μία σταθερή κατεύθυνση, δίνοντας ένα σαφές «βέλος του χρόνου».
- Ταξινομεί σωστά τα γεγονότα, ακόμη και σε ένα σύστημα που διαστέλλεται και συστέλλεται όπως ένας μίνι κόσμος.
- Επιταχύνεται ή επιβραδύνεται ανάλογα με το πώς μετακινείται η εντροπία.
Ο Barontini δήλωσε ότι σε ορισμένες θεωρίες, ειδικά στην κβαντική βαρύτητα, ο χρόνος δεν εμφανίζεται ως ενσωματωμένο χαρακτηριστικό. Ωστόσο, στην καθημερινή ζωή ο χρόνος ρέει από το παρελθόν στο μέλλον, παρόλο που οι περισσότεροι βασικοί νόμοι της φυσικής λειτουργούν με τον ίδιο τρόπο είτε προς τα εμπρός είτε προς τα πίσω.
Αυτή η μελέτη παρέχει την πρώτη ελεγχόμενη πειραματική απόδειξη ότι ο χρόνος μπορεί να οριστεί από τις αλλαγές μέσα σε ένα σύστημα, προσφέροντας νέα διορατικότητα για τη φύση του χρόνου στην κβαντική βαρύτητα.
Προεκτάσεις για την κβαντική κοσμολογία
Η μελέτη δείχνει επίσης ότι μια εκδοχή της κύριας εξίσωσης της κβαντομηχανικής (Schrödinger) μπορεί ακόμα να γραφτεί χρησιμοποιώντας τον εντροπικό χρόνο, επιτρέποντας προβλέψεις για το πώς θα αλλάξει το «νέφος πιθανότητας» ενός κβαντικού συστήματος. Το πείραμα απαντά σε ένα μακροχρόνιο ερώτημα της φυσικής σχετικά με το πώς ορίζεται το «πριν» και το «μετά» όταν δεν υπάρχει εξωτερικό ρολόι.
Ο Barontini έδειξε ότι το σύστημα ακολουθεί τις τυπικές εξισώσεις της κβαντικής φυσικής και απέδειξε ότι βαθιά ερωτήματα – που συνήθως συζητούνται μόνο σε θεωρητικό επίπεδο για το σύμπαν ως σύνολο – μπορούν να ελεγχθούν σε ελεγχόμενα εργαστηριακά πειράματα.
Η προσέγγιση αυτή θα μπορούσε να επεκταθεί σε πιο πολύπλοκα συστήματα, επιτρέποντας ενδεχομένως στους ερευνητές να διερευνήσουν τη φυσική του Big Bang και του Big Crunch, να προσομοιώσουν μαύρες τρύπες στο εργαστήριο ή να δοκιμάσουν ανταγωνιστικές θεωρίες για το πώς αναδύεται ο χρόνος στο σύμπαν.