Уявіть собі Всесвіт без годинників, без «тік‑так» і навіть без звичного нам напрямку «минуле–майбутнє». Саме таку реальність намагався відтворити фізик Джованні Баронтіні (Giovanni Barontini) з Університету Бірмінгема, створивши у лабораторії «міні‑Всесвіт», у якому час виникає сам із внутрішніх змін системи. Про цей незвичний експеримент розповідає ScienceAlert.
Що відомо коротко
- У квантовому світі на найменших масштабах звичний час «зникає», а напрямок подій не заданий наперед.
- Баронтіні створив «міні‑Всесвіт» з близько 24 000 атомів рубідію, охолоджених до мільярдних часток градуса вище абсолютного нуля.
- Атоми утворили Бозе‑Ейнштейнів конденсат — «суперчастинку», де всі атоми поводяться як єдине ціле.
- Систему поділили на «яскравий» (спостережуваний) і «темний» (неспостережуваний) сектори, між якими атоми обмінювалися ентропією.
- З цього обміну вчені визначили внутрішній «ентропійний» час, який не потребує зовнішнього годинника.
Чому в квантовому світі час поводиться дивно
На рівні елементарних частинок наші інтуїтивні уявлення руйнуються. Положення й швидкість частинки стають «розмитими», а математичні рівняння квантової механіки та загальної відносності не вимагають, щоб час ішов лише вперед.
Більше того, фундаментальні рівняння, зокрема рівняння Вілера–ДеВітта, вказують: час може взагалі не мати вбудованого напрямку і навіть «зникати» на найглибшому рівні опису реальності. Це суперечить нашому повсякденному досвіду, де все старіє, ламається і розсіюється.
Тут у гру вступає другий закон термодинаміки: він говорить, що ентропія — міра безладу — з часом зростає. Саме це зростання створює «стрілу часу»: від більш упорядкованого стану (наприклад, ранній Всесвіт) до дедалі більш хаотичного.
Як з атомів зібрали «міні‑Всесвіт»
Щоб перевірити, чи може час «виникати» зсередини системи, Баронтіні побудував свій міні‑Всесвіт із приблизно 24 тисяч атомів рубідію. Їх охолодили до мільярдних часток градуса вище абсолютного нуля, перетворивши на Бозе‑Ейнштейнів конденсат — екзотичний стан матерії, який ще називають п’ятим агрегатним станом.
У цьому стані атоми втрачають індивідуальність і поводяться як одна «суперчастинка». Це схоже на те, як натовп людей раптом починає рухатися абсолютно синхронно, ніби керується єдиним розумом.
Цю «надхолодну хмару» Баронтіні помістив у дипольну оптичну пастку — систему лазерних променів, які утримують атоми. Перехрестя двох лазерів різних частот створило бар’єр, що розділив конденсат на два сектори.
Один сектор був «яскравим» — його спостерігали приладами. Інший залишався «темним» — неспостережуваним. Так дослідник змоделював щось на кшталт нашого Всесвіту, де є видима матерія і приховані компоненти — темна матерія та темна енергія.
Як з’явився «ентропійний» час
Коли система запрацювала, атоми почали ритмічно переходити через бар’єр між яскравим і темним секторами. Разом з атомами між частинами міні‑Всесвіту «перетікала» й ентропія.
Баронтіні пояснює: у цьому експерименті спостережувана частина системи обмінюється атомами та ентропією з неспостережуваною. З цього обміну можна визначити внутрішній, «ентропійний» час. Він зростає, поки триває обмін, і «зупиняється», коли обмін припиняється.
Тобто сам рух атомів став годинником. Не зовнішній прилад із циферблатом, а послідовність змін усередині системи задала порядок подій: що було «раніше», а що «пізніше».
Рух атомів через бар’єр нагадував цикли: розширення й стиснення, ніби міні‑версії Великого вибуху та Великого стискання. Це перегукується з гіпотезами про циклічний Всесвіт, який безкінечно переживає фази розширення та колапсу.
Що це означає для розуміння часу і Всесвіту
Найдивовижніше в цьому експерименті те, що міні‑Всесвіту не потрібен зовнішній параметр часу, щоб «розкласти» події по порядку. Його власний потік ентропії «розповідає», яка подія йде наступною.
Такі холодноатомні системи — ідеальний полігон для перевірки найсміливіших ідей фізики. У міні‑Всесвіті Баронтіні можна змінювати форму пастки, висоту бар’єра, силу взаємодії між атомами, їхню густину та зв’язок між різними регіонами системи.
Це дозволяє моделювати питання, пов’язані з Великим вибухом чи можливим Великим стисканням: чи поводиться колапс як справжня сингулярність, чи може перетворитися на «відскок»? Подібним чином можна наближено відтворювати й межі чорних дір, «замикаючи» атоми в одній частині міні‑Всесвіту.
Створюючи такі керовані квантові системи, фізики отримують шанс обережно «помацати» найзаплутаніші аспекти квантової гравітації — теорії, яка мала б об’єднати загальну відносність і квантову механіку. Баронтіні вважає, що його робота дає нове уявлення про природу часу в квантовій гравітації і може дозволити описувати динаміку не гірше, ніж за допомогою звичного часу.
FAQ
Це доводить, що «справжній» час не існує?
Ні. Експеримент показує, що в певних квантових системах можна визначити внутрішній час, який виникає з потоку ентропії, без зовнішнього годинника. Але це не скасовує нашого макроскопічного досвіду часу, а радше пропонує глибший рівень його розуміння.
Чи означає це, що наш Всесвіт теж має «ентропійний» час?
Робота Баронтіні узгоджується з ідеєю, що стріла часу пов’язана зі зростанням ентропії. Проте експеримент стосується штучної квантової системи, а не безпосередньо всього космосу, тому переносити висновки на реальний Всесвіт потрібно дуже обережно.
Навіщо взагалі створювати міні‑Всесвіти з атомів?
Такі системи дозволяють у контрольованих умовах перевіряти математичні моделі, які описують ранній Всесвіт, чорні діри чи квантову гравітацію. У реальному космосі ми не можемо «перемотати» події або змінити параметри, а в лабораторії — можемо.
Чи матиме це практичні застосування, чи це чиста теорія?
Найближчим часом це насамперед фундаментальна наука: спроба зрозуміти, що таке час і як працює Всесвіт на найглибшому рівні. Але історія фізики показує, що подібні дослідження згодом часто приводять до несподіваних технологій — від лазерів до GPS.
🤯 Якщо час може народжуватися просто з того, що щось у Всесвіті змінюється, то наші звичні годинники виявляються лише грубою проекцією набагато глибшого процесу. Лабораторний міні‑Всесвіт Баронтіні натякає: можливо, ми живемо не в реальності, де час «тече» сам по собі, а в реальності, де сам порядок подій і зростання безладу створюють те, що ми називаємо часом.