Badania opublikowane w tym tygodniu na łamach Physical Review Research mierzą się z zagadką, która od dziesięcioleci dręczy fundamenty fizyki. W teoriach grawitacji kwantowej czas nie pojawia się jako wbudowana cecha rzeczywistości. Mimo to doświadczamy wyraźnej strzałki czasu prowadzącej od przeszłości do przyszłości. Zespół z Birmingham pod kierownictwem profesora Giovanniego Barontiniego postanowił sprawdzić, czy czas może wyłaniać się czysto ze zmian – a konkretnie ze sposobu, w jaki cząstki rozprzestrzeniają się w układzie; jest to koncepcja znana jako czas entropowy. Ich odpowiedź, zapisana w tysiąckrotnym cyklu tańca ultrazimnych atomów, jest ostrożnym „tak”.
Tworzenie mini-wszechświata z 24 000 atomów w laboratorium w Birmingham
Grupa Barontiniego uwięziła atomy rubidu w pułapce optycznej, chłodząc je do momentu, w którym dominowały zachowania kwantowe. Dwie wiązki laserowe wycięły cienką ścianę przez chmurę, tworząc „jasny” obszar, który badacze mogli bezpośrednio obserwować, oraz „ciemny” sektor ukryty przed wzrokiem. Jasna strona okresowo rozszerzała się i kurczyła, naśladując cykliczną kosmologię wszechświata, który odwraca swoją ekspansję. Ponieważ cały układ był odizolowany od środowiska zewnętrznego, jedynym sposobem na zrekonstruowanie linii czasu zdarzeń było wywnioskowanie jej z rozkładu atomów wewnątrz.
Naukowcy celowo wybrali 24 000 atomów. Przy mniejszej liczbie sygnał statystyczny ze zmian entropii byłby zbyt zaszumiony. Przy większej – narzut obliczeniowy stałby się niemożliwy do opanowania. W tej skali chmura zachowywała się jak uproszczony wszechświat, wystarczająco duży, by wykazywać nieodwracalność termodynamiczną, ale na tyle mały, by można go było symulować na komputerze klasycznym. Każdy cykl trwał około jednej dziesiątej sekundy, a zespół prześledził setki cykli, aby ustalić, że zdefiniowany przez nich czas entropowy nie tylko dryfował – postępował w sposób niezawodny i jednokierunkowy, nawet gdy jasny obszar się kurczył.
Czas entropowy: jak mini-wszechświat z 24 000 atomów generuje własny zegar
Idea stojąca za czasem entropowym jest rozbrajająco prosta: jeśli nic się nie zmienia, czas nie płynie. Naukowcy powiązali upływ czasu ze zmianami entropii Shannona układu, czyli miarą tego, jak bardzo atomy były rozproszone. Kiedy jasne i ciemne regiony wymieniały cząstki, entropia się zmieniała, a zgodnie z ich sformułowaniem czas płynął do przodu. Kiedy rozkład atomów ustalał się w stanie stacjonarnym, czas stawał w miejscu – nawet jeśli podstawowa funkcja falowa układu kwantowego nadal ewoluowała w sposób, który w konwencjonalnym ujęciu wydawałby się dynamiczny.
Zespół Barontiniego zaobserwował, że czas entropowy zawsze wskazywał przyszłość, nawet podczas fazy skurczu, która w prawdziwym kosmosie odpowiadałaby Wielkiemu Kolapsowi (Big Crunch). Nigdy się nie odwrócił, mimo że podstawowa fizyka była symetryczna względem czasu. „W niektórych teoriach wszechświata, zwłaszcza w grawitacji kwantowej, czas nie pojawia się jako wbudowana cecha” – powiedział Barontini. „A jednak w codziennym życiu czas płynie od przeszłości do przyszłości. Dlaczego tak jest, skoro większość podstawowych praw fizyki działa tak samo w przód i w tył?”. Eksperyment sugeruje odpowiedź: strzałka czasu wyłania się wyłącznie ze wzrostu entropii, a nie z fundamentalnego zegara.
Co więcej, tempo czasu entropowego mogło przyspieszać lub zwalniać w zależności od tego, jak szybko zmieniała się entropia. Podczas gwałtownej ekspansji, gdy atomy przepływały z obszaru jasnego do ciemnego, czas entropowy płynął szybciej. Podczas powolnych skurczów – zwalniał. Nie jest to tylko filozoficzna sztuczka. Zespół przepisał równanie Schrödingera – centralne równanie mechaniki kwantowej – używając czasu entropowego jako parametru ewolucji. Odkryli, że ewolucja rozkładu prawdopodobieństwa chmury atomów pozostała zgodna ze standardowymi przewidywaniami kwantowymi, tyle że z parametrem czasu zdefiniowanym przez nieuporządkowanie, a nie przez laboratoryjny stoper.
Co mini-wszechświat z 24 000 atomów oznacza dla grawitacji kwantowej
Praca ta otwiera rzadkie okno eksperymentalne na idee, które dotychczas ograniczały się głównie do obliczeń na tablicy. Teorie grawitacji kwantowej często zmagają się z problemem czasu, ponieważ ogólna teoria względności traktuje czas jako dynamiczny, podczas gdy mechanika kwantowa wymaga ustalonego zegara tła. Jeśli czas może wyłaniać się z entropii w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych, uwiarygadnia to modele, w których strzałka czasu wczesnego wszechświata nie wynikała z pierwotnego zegara, lecz z gwałtownego wzrostu entropii po Wielkim Wybuchu.
Układ Barontiniego nie jest pierwszym badającym czas entropowy, ale jest jednym z pierwszych, który demonstruje go w kwantowym układzie wielu ciał, który można monitorować cykl po cyklu. Wcześniejsze propozycje opierały się na abstrakcyjnych eksperymentach myślowych lub obserwacjach kosmologicznych, których nie da się powtórzyć. Tutaj zespół mógł zresetować system i obserwować, jak strzałka wyłania się ponownie, zawsze wskazując przyszłość. „Oferuje to nowy wgląd w naturę czasu w grawitacji kwantowej” – powiedział Barontini. „Można by go użyć do opisania dynamiki równie skutecznie, jak czasu konwencjonalnego”.
Platforma ta łączy również dwa środowiska, które rzadko ze sobą współpracują: eksperymentatorów zajmujących się atomami zimnymi oraz teoretyków grawitacji kwantowej. Ta sama technologia pułapek optycznych, która napędza najlepsze zegary atomowe, może teraz zostać wykorzystana do badania samej natury czasu. Nie chodzi tu o zbudowanie lepszego zegara, lecz o zadanie pytania, czy zegary są w ogóle potrzebne.
Od tablic do stołów laboratoryjnych: testowanie tego, co niemożliwe do przetestowania
Przez dziesięciolecia pytania o wyłanianie się czasu znajdowały się całkowicie w domenie fizyki teoretycznej. Eksperyment z Birmingham pokazuje, że przynajmniej jedna wersja tych pytań jest obecnie sprawdzalna eksperymentalnie. Poprzez modyfikację bariery laserowej lub liczby atomów naukowcy mogliby symulować różne scenariusze kosmologiczne, od przyspieszającej ekspansji po stany końcowe przypominające śmierć cieplną. Barontini zasugerował, że platforma mogłaby w przyszłości posłużyć do badania analogów czarnych dziur lub symulowania warunków wczesnego wszechświata, gdzie efekty kwantowe i grawitacyjne współistnieją.
Oczywiście gaz złożony z 24 000 atomów to daleka droga do prawdziwego wszechświata. Układ jest nierelatywistyczny, a grawitacja nie odgrywa w nim żadnej roli. Zdefiniowany tu czas entropowy jest parametrem efektywnym, a nie fundamentalnym polem. Krytycy mogą argumentować, że eksperyment po prostu zastępuje jedną operacyjną definicję czasu drugą, nie udowadniając, że czas jest rzeczywiście wyłaniający się. Jednak zespół z Birmingham nigdy nie twierdził, że rozstrzygnął ten spór; wykazali oni, że jeśli zaakceptuje się entropię jako zegar, mechanika kwantowa pozostaje spójna, a strzałka czasu trwa. Jest to warunek konieczny – choć nie wystarczający – aby czas entropowy był fizycznie znaczący.
Laboratoryjny wszechświat bez głównego zegara
Szersza implikacja jest taka, że czas może nie być tak fundamentalny, jak zakładamy. W codziennym życiu polegamy na zegarach – fontannach cezowych, oscylatorach kwarcowych, rotacji Ziemi – aby synchronizować wydarzenia. Jednak na najgłębszym poziomie wszechświat może nie posiadać wbudowanego metronomu. Doświadczenie płynącej teraźniejszości może być makroskopową iluzją wynikającą z nieustannego wzrostu nieuporządkowania. Kiedy atomy przemieszczały się między jasnymi a ciemnymi obszarami w komorze Barontiniego, nie mierzyły czasu; one go generowały.
Eksperyment pojawia się w ciekawym momencie dla fizyki podstawowej w Europie. Future Circular Collider w CERN walczy o miliardy, podczas gdy laboratoria narodowe z trudem utrzymują działanie platform ultrazimnych atomów. Praca Barontiniego, finansowana ze standardowych brytyjskich grantów badawczych, kosztowała ułamek budżetu wielkiego eksperymentu zderzeniowego, a dotyka równie głębokich pytań. To przypomnienie, że najbardziej doniosłe zagadki czasem mieszczą się na stole optycznym.
Zespół planuje badać bardziej złożone układy, w tym takie z splątaniem, aby sprawdzić, czy czas entropowy utrzyma się w obliczu pełnej dziwności mechaniki kwantowej. Jeśli tak, pojęcie uniwersalnego zegara może powoli wycofywać się z praw fizyki – zastąpione być może niczym innym jak nieodwracalnym rozprzestrzenianiem się atomów.
Na razie 24 000 atomów w pułapce w Birmingham dokonało czegoś po cichu niezwykłego: pokazały, że wszechświat może funkcjonować w oparciu o samą zmianę. Zegar nie jest potrzebny. Ale czy ten czas entropowy ostatecznie wyprze czas konwencjonalny używany w każdym podręczniku fizyki, pozostaje pytaniem otwartym. Atomy przedstawiły swoje racje. Reszta należy do teoretyków – i, jak zawsze, do kolejnego cyklu grantowego.
Źródła
- Physical Review Research (artykuł naukowy na temat czasu entropowego w układzie kwantowym 24 000 atomów)
- Materiały prasowe University of Birmingham
- Multimedia EurekAlert (zdjęcia pułapki ultrazimnego rubidu)
Comments
No comments yet. Be the first!