Een mini-universum van 24.000 atomen onthult: tijd heeft geen klok nodig

Het experiment, dat deze week in Physical Review Research is gepubliceerd, confronteert een raadsel dat al decennia aan de fundamenten van de natuurkunde knaagt. In theorieën over kwantumgravitatie verschijnt tijd niet als een ingebouwd kenmerk van de realiteit. Toch ervaren we een duidelijke pijl van verleden naar toekomst. Het team uit Birmingham, onder leiding van professor Giovanni Barontini, wilde testen of tijd puur kan voortkomen uit verandering — specifiek uit de manier waarop deeltjes zich door een systeem verspreiden, een concept dat bekendstaat als entropische tijd. Hun antwoord, vastgelegd in een dans van duizend cycli van ultrakoude atomen, is een behoedzaam ja.

Het smeden van een mini-universum van 24.000 atomen in een laboratorium in Birmingham

De groep van Barontini sloot de rubidium-atomen op in een optische val en koelde ze af totdat kwantumgedrag de overhand kreeg. Twee laserstralen vormden een dunne muur door de wolk, waardoor een "heldere" regio ontstond die de onderzoekers direct konden observeren en een "donkere" sector die aan het zicht onttrokken was. De heldere kant zette periodiek uit en kromp in, wat de cyclische kosmologie nabootst van een universum dat zijn expansie omkeert. Omdat het volledige systeem was geïsoleerd van de buitenwereld, was de enige manier om een tijdlijn van gebeurtenissen te reconstrueren het afleiden daarvan uit de atoomverdelingen binnenin.

De onderzoekers kozen bewust voor 24.000 atomen. Bij minder atomen zou het statistische signaal van entropieveranderingen te veel ruis bevatten. Bij meer atomen zou de computationele overhead onbeheersbaar worden. Op deze schaal gedroeg de wolk zich als een vereenvoudigd universum dat groot genoeg was om thermodynamische onomkeerbaarheid te vertonen, maar klein genoeg om op een klassieke computer te simuleren. Elke cyclus duurde ongeveer een tiende van een seconde, en het team volgde honderden cycli om vast te stellen dat de entropische tijd die zij definieerden niet zomaar afdwaalde — hij verliep betrouwbaar en in één richting, zelfs terwijl de heldere regio kromp.

Entropische tijd: hoe het mini-universum van 24.000 atomen zijn eigen klok genereert

Het idee achter entropische tijd is ontwapenend simpel: als er niets verandert, verstrijkt er geen tijd. De onderzoekers koppelden het verstrijken van de tijd aan veranderingen in de Shannon-entropie van het systeem, een maatstaf voor hoe verspreid de atomen waren. Wanneer de heldere en donkere regio's deeltjes uitwisselden, verschoof de entropie en volgens hun formulering vorderde de tijd. Wanneer de verdeling van atomen in een stabiele toestand terechtkwam, stond de tijd stil — zelfs als de onderliggende kwantumgolffunctie op een manier bleef evolueren die er onder conventionele tijd dynamisch uit zou zien.

Het team van Barontini nam waar dat deze entropische tijd altijd naar voren wees, zelfs tijdens de contractiefase die in een echt universum een Big Crunch zou vertegenwoordigen. Hij keerde nooit om, ook al was de onderliggende natuurkunde tijd-symmetrisch. "In sommige theorieën over het universum, vooral kwantumgravitatie, verschijnt tijd niet als een ingebouwd kenmerk," zei Barontini. "Toch stroomt tijd in het dagelijks leven van verleden naar toekomst. Waarom is dat zo, terwijl de meeste fundamentele natuurkundige wetten hetzelfde werken in voorwaartse en achterwaartse richting?" Het experiment suggereert een antwoord: de pijl komt enkel voort uit entropiegroei, niet uit een fundamentele klok.

Bovendien kon het tempo van de entropische tijd versnellen of vertragen, afhankelijk van hoe snel de entropie veranderde. Tijdens snelle expansie, wanneer atomen van de heldere naar de donkere regio stroomden, tikte de entropische tijd sneller. Tijdens langzame contracties vertraagde deze. Dit is niet louter een filosofisch goocheltrucje. Het team herschreef de Schrödinger-vergelijking — de centrale vergelijking van de kwantummechanica — met entropische tijd als de evolutieparameter. Ze ontdekten dat de evolutie van de kansverdeling van de atoomwolk consistent bleef met standaard kwantumvoorspellingen, alleen met een tijdparameter die gedefinieerd is door wanorde in plaats van door een laboratoriumstopwatch.

Wat een mini-universum van 24.000 atomen betekent voor kwantumgravitatie

Het werk opent een zeldzaam experimenteel venster op ideeën die voorheen grotendeels beperkt bleven tot berekeningen op het schoolbord. Theorieën over kwantumgravitatie worstelen vaak met tijd omdat de algemene relativiteitstheorie tijd als dynamisch behandelt, terwijl de kwantummechanica een vaste achtergrondklok vereist. Als tijd kan voortkomen uit entropie in een gecontroleerde laboratoriumomgeving, geeft dit geloofwaardigheid aan modellen waarin de pijl van de tijd van het vroege universum niet voortkwam uit een oerklok, maar uit de snelle toename van entropie na de oerknal.

De opstelling van Barontini is niet de eerste die entropische tijd onderzoekt, maar het is wel een van de eerste die dit aantoont in een kwantumsysteem met vele deeltjes dat cyclus na cyclus kan worden gemonitord. Eerdere voorstellen vertrouwden op abstracte gedachte-experimenten of kosmologische waarnemingen die niet herhaald kunnen worden. Hier kon het team het systeem resetten en toekijken hoe de pijl weer verscheen, altijd in voorwaartse richting. "Het biedt nieuw inzicht in de aard van tijd in de kwantumgravitatie," aldus Barontini. "Het zou net zo effectief gebruikt kunnen worden om dynamiek te beschrijven als conventionele tijd."

Het platform slaat ook een brug tussen twee gemeenschappen die zelden met elkaar communiceren: experimentatoren in koude atomen en theoretici van de kwantumgravitatie. Dezelfde optische-valtechnologie die de beste atoomklokken aandrijft, zou nu opnieuw ingezet kunnen worden om de aard van tijd zelf te onderzoeken. Het gaat hier niet om het bouwen van een betere klok; het gaat om de vraag of klokken überhaupt wel nodig zijn.

Van schoolborden naar laboratoria: het ontestbare testen

Tientallen jaren lang vielen vragen over het ontstaan van tijd strikt binnen het domein van de theoretische natuurkunde. Het experiment in Birmingham toont aan dat ten minste één versie van deze vragen nu experimenteel benaderbaar is. Door de laserbarrière of het aantal atomen aan te passen, kunnen onderzoekers verschillende kosmologische scenario's simuleren, van versnellende expansies tot eindtoestanden die lijken op de warmtedood. Barontini suggereerde dat het platform uiteindelijk gebruikt zou kunnen worden om zwarte-gatanalogen te onderzoeken of om de omstandigheden van het vroege universum te simuleren, waar kwantum- en zwaartekrachteffecten naast elkaar bestaan.

Natuurlijk is een gas van 24.000 atomen iets heel anders dan een echt universum. Het systeem is niet-relativistisch en zwaartekracht speelt geen rol. De hier gedefinieerde entropische tijd is een effectieve parameter, geen fundamenteel veld. Critici kunnen aanvoeren dat het experiment simpelweg de ene operationele definitie van tijd door de andere vervangt, zonder te bewijzen dat tijd werkelijk emergent is. Maar het team uit Birmingham heeft nooit geclaimd het debat te hebben beslecht; ze hebben aangetoond dat als je entropie als de klok accepteert, de kwantummechanica consistent blijft en de pijl van de tijd standhoudt. Dat is een noodzakelijke voorwaarde — geen voldoende voorwaarde — voor entropische tijd om fysiek betekenisvol te zijn.

Een laboratoriumuniversum zonder hoofdklok

De bredere implicatie is dat tijd wellicht minder fundamenteel is dan we aannemen. In het dagelijks leven vertrouwen we op klokken — cesiumfonteinen, kwartsoscillatoren, de rotatie van de aarde — om gebeurtenissen te synchroniseren. Maar op het diepste niveau is het universum misschien niet uitgerust met een ingebouwde metronoom. De ervaring van een stromend heden zou een macroscopische illusie kunnen zijn die voortkomt uit de meedogenloze toename van wanorde. Terwijl de atomen in de kamer van Barontini tussen de heldere en donkere regio's schuifelden, waren ze geen tijd aan het meten; ze waren tijd aan het genereren.

Het experiment vindt plaats op een curieus moment voor de fundamentele natuurkunde in Europa. De Future Circular Collider-studies van CERN strijden om miljarden, terwijl nationale laboratoria worstelen om platformen met ultrakoude atomen draaiende te houden. Het werk van Barontini, gefinancierd via standaard Britse onderzoekssubsidies, kostte een fractie van een groot collider-experiment, maar raakt aan vragen die net zo diepgaand zijn. Het is een herinnering dat de meest fundamentele puzzels soms op een optische tafel passen.

Het team is van plan complexere systemen te onderzoeken, inclusief systemen met verstrengeling, om te zien of entropische tijd standhoudt onder de volledige eigenaardigheden van de kwantummechanica. Als dat zo is, kan het idee van een universele klok langzaam verdwijnen uit de natuurkundige wetten — wellicht vervangen door niets meer dan de onomkeerbare verspreiding van atomen.

Voor nu hebben de 24.000 atomen in die val in Birmingham iets stilletjes opmerkelijks gedaan: ze hebben aangetoond dat een universum kan draaien op louter verandering. Geen klok vereist. Maar of deze entropische tijd uiteindelijk de conventionele tijd uit elk natuurkundeboek kan verdringen, is nog steeds een open vraag. De atomen hebben hun punt gemaakt. De rest is aan de theoretici — en, zoals altijd, aan de volgende subsidieronde.

Bronnen

• Physical Review Research (onderzoeksartikel over entropische tijd in een kwantumsysteem van 24.000 atomen)
• Persmateriaal van de University of Birmingham
• EurekAlert multimedia (afbeeldingen van de val voor ultrakoud rubidium)