Фізики створили міні-всесвіт для дослідження природи часу

Квантовий світ суперечить нашій інтуїції. На найменших масштабах базові фізичні характеристики, такі як положення та швидкість, залишаються туманними, а час у звичному розумінні, схоже, взагалі не існує. Ці квантові дивацтва заважають зрозуміти Всесвіт, природу буття та навіть свідомості.

Фундаментальні математичні обґрунтування з ньютонівської фізики, квантової механіки, теорії відносності та, зокрема, рівняння Вілера-ДеВітта вказують, що час не має вбудованого напрямку і може навіть зникати на найглибшому рівні. Натомість другий закон термодинаміки пропонує «стрілу» часу: Всесвіт почався у впорядкованому стані, можливо, як нескінченно щільна точка, і стає дедалі більш невпорядкованим.

Щоб дослідити природу часу та з'ясувати, чи є він фундаментальною властивістю космосу, Джованні Баронтіні, фізик з Бірмінгемського університету, створив міні-всесвіт з нуля. Вчений побудував свій міні-всесвіт приблизно з 24 тисяч атомів рубідію, охолоджених до мільярдних часток градуса вище абсолютного нуля, утворивши екзотичну атомну «кашу», яку називають конденсатом Бозе-Ейнштейна.

Цей стан речовини, відомий як п'ятий стан матерії, виникає, коли частинки охолоджуються майже до абсолютного нуля. Вони втрачають свою індивідуальність і починають поводитися як єдина, цілісна «суперчастинка». Баронтіні помістив цю незвичайну субстанцію в дипольну оптичну пастку, яка розділила її на два сектори за допомогою бар'єра, утвореного перетином двох лазерних променів різних частот.

Така конфігурація створила «світлий» сектор, який спостерігали, та «темний» сектор, який залишався неспостережуваним. Це дозволило виникнути відчуттю часу, коли атоми переміщувалися туди й назад між двома секторами. Баронтіні порівнює ці сектори з неспостережуваними частинами нашого реального Всесвіту: темною матерією та темною енергією.

Іншими словами, рух атомів став годинником, забезпечуючи відчуття часу на основі дії ентропії, а не тикання стрілок звичайного годинника. «У експерименті спостережувана частина системи обмінюється атомами та ентропією з неспостережуваною частиною. З цього обміну ентропією ми визначаємо внутрішній, ентропійний час», — пояснив Баронтіні.

Коливання атомів через бар'єр відбувалося ритмічно, як повторювані цикли Великого вибуху, що розширює всесвіт, за яким слідує Велике стиснення, що руйнує космос. Це схоже на існуючу гіпотезу, яка припускає, що ми живемо у нескінченно циклічному Всесвіті. Відчуття часу природно виникло з цієї послідовності подій, оскільки потік ентропії має напрямок, і це впорядкування на основі ентропії не йде назад.

Такі міні-всесвіти є безцінним випробувальним полігоном для фізики, оскільки системи холодних атомів можна точно налаштувати для вивчення найзагадковіших механік Всесвіту. Створюючи контрольовану квантову систему для перевірки цих математичних і фізичних питань, фізики також можуть досліджувати заплутані аспекти квантової гравітації в надії досягти неможливої мрії об'єднання загальної теорії відносності та квантової механіки.