Мини-вселенная из 24 000 атомов доказала, что время не нуждается в часах — вот как это работает

Эксперимент, опубликованный на этой неделе в журнале Physical Review Research, затрагивает проблему, которая десятилетиями тревожила основы физики. В теориях квантовой гравитации время не является встроенным свойством реальности. Тем не менее мы наблюдаем отчетливую стрелу времени — от прошлого к будущему. Команда из Бирмингема под руководством профессора Джованни Баронтини решила проверить, может ли время возникать исключительно из изменений — в частности, из того, как частицы распределяются в системе; эта концепция известна как энтропийное время. Их ответ, полученный в ходе тысяч циклов «танца» ультрахолодных атомов, звучит как осторожное «да».

Создание мини-вселенной из 24 000 атомов в лаборатории Бирмингема

Группа Баронтини удерживала атомы рубидия в оптической ловушке, охлаждая их до тех пор, пока квантовое поведение не стало доминирующим. Два лазерных луча прорезали тонкую стенку в облаке, создав «светлую» область, которую исследователи могли наблюдать напрямую, и «темную» зону, скрытую от глаз. Светлая сторона периодически расширялась и сжималась, имитируя циклическую космологию вселенной, которая обращает свое расширение вспять. Поскольку вся система была изолирована от внешней среды, единственным способом реконструировать хронологию событий было выведение ее из распределения атомов внутри.

Исследователи намеренно выбрали 24 000 атомов. Если их меньше, статистический сигнал от изменений энтропии был бы слишком шумным. Если больше — вычислительная нагрузка стала бы непосильной. В таком масштабе облако вело себя как упрощенная вселенная, достаточно большая, чтобы демонстрировать термодинамическую необратимость, но достаточно малая, чтобы ее можно было симулировать на классическом компьютере. Каждый цикл длился примерно десятую долю секунды, и команда отследила сотни циклов, чтобы доказать, что определенное ими энтропийное время не просто «дрейфует», а надежно и однонаправленно движется вперед, даже когда светлая область сжималась.

Энтропийное время: как мини-вселенная из 24 000 атомов создает собственные часы

Идея, лежащая в основе энтропийного времени, обезоруживающе проста: если ничего не меняется, время не идет. Исследователи связали ход времени с изменениями энтропии Шеннона в системе — показателем того, насколько рассредоточены атомы. Когда светлая и темная области обменивались частицами, энтропия менялась, и, согласно их формулировке, время двигалось вперед. Когда распределение атомов приходило в устойчивое состояние, время замирало — даже если лежащая в основе квантовая волновая функция продолжала развиваться так, что в обычном понимании времени это выглядело бы динамично.

Команда Баронтини заметила, что это энтропийное время всегда указывало вперед, даже во время фазы сжатия, которая в реальном космосе соответствовала бы Большому сжатию (Big Crunch). Оно никогда не поворачивало вспять, хотя лежащая в основе физика была симметрична относительно времени. «В некоторых теориях вселенной, особенно в квантовой гравитации, время не является встроенной характеристикой, — сказал Баронтини. — Тем не менее в повседневной жизни время течет из прошлого в будущее. Почему так происходит, если большинство фундаментальных законов физики работают одинаково как вперед, так и назад?» Эксперимент предлагает ответ: стрела времени возникает только из роста энтропии, а не из фундаментальных часов.

Более того, темп энтропийного времени может ускоряться или замедляться в зависимости от скорости изменения энтропии. Во время быстрого расширения, когда атомы перетекали из светлой области в темную, энтропийное время шло быстрее. Во время медленного сжатия оно замедлялось. Это не просто философский трюк. Команда переписала уравнение Шредингера — центральное уравнение квантовой механики — используя энтропийное время как параметр эволюции. Они обнаружили, что эволюция распределения вероятностей атомного облака остается согласованной со стандартными квантовыми предсказаниями, только с параметром времени, определяемым беспорядком, а не лабораторным секундомером.

Что означает мини-вселенная из 24 000 атомов для квантовой гравитации

Эта работа открывает редкое экспериментальное окно в идеи, которые по большей части были ограничены вычислениями на доске. Теории квантовой гравитации часто сталкиваются с трудностями в отношении времени, потому что общая теория относительности рассматривает время как динамическую величину, в то время как квантовая механика требует фиксированных фоновых часов. Если время может возникать из энтропии в контролируемых лабораторных условиях, это подтверждает модели, в которых стрела времени ранней Вселенной возникла не из первичных часов, а из быстрого роста энтропии после Большого взрыва.

Установка Баронтини — не первая попытка исследовать энтропийное время, но одна из первых, где это продемонстрировано в квантовой многочастичной системе, которую можно отслеживать цикл за циклом. Предыдущие предложения опирались на абстрактные мысленные эксперименты или космологические наблюдения, которые невозможно повторить. Здесь же команда могла сбросить настройки системы и наблюдать, как стрела времени появляется снова, всегда указывая вперед. «Это дает новое представление о природе времени в квантовой гравитации, — сказал Баронтини. — Его можно использовать для описания динамики так же эффективно, как и обычное время».

Платформа также объединяет два сообщества, которые редко взаимодействуют: экспериментаторов по холодным атомам и теоретиков квантовой гравитации. Та же технология оптических ловушек, которая питает лучшие атомные часы, теперь может быть перепрофилирована для исследования самой природы времени. Речь идет не о создании лучших часов, а о вопросе, нужны ли часы вообще.

От школьных досок до лабораторных столов: проверка невозможного

Десятилетиями вопросы о возникновении времени относились исключительно к области теоретической физики. Бирмингемский эксперимент показывает, что, по крайней мере, одна версия этих вопросов теперь поддается экспериментальной проверке. Изменяя лазерный барьер или количество атомов, исследователи могли бы моделировать различные космологические сценарии: от ускоряющегося расширения до конечных состояний, подобных «тепловой смерти». Баронтини предположил, что в конечном итоге платформа может быть использована для исследования аналогов черных дыр или для симуляции условий ранней Вселенной, где сосуществуют квантовые и гравитационные эффекты.

Конечно, газ из 24 000 атомов — это далеко не реальная Вселенная. Система нерелятивистская, и гравитация не играет никакой роли. Энтропийное время, определенное здесь, является эффективным параметром, а не фундаментальным полем. Критики могут возразить, что эксперимент просто заменяет одно операционное определение времени другим, не доказывая, что время действительно является эмерджентным свойством. Но команда из Бирмингема никогда не утверждала, что разрешила этот спор; они продемонстрировали, что если принять энтропию в качестве часов, квантовая механика остается последовательной, а стрела времени сохраняется. Это необходимое, но не достаточное условие для того, чтобы энтропийное время было физически значимым.

Лабораторная вселенная без главных часов

Более широкий вывод заключается в том, что время может быть не таким фундаментальным, как мы предполагаем. В повседневной жизни мы полагаемся на часы — цезиевые фонтаны, кварцевые генераторы, вращение Земли — для синхронизации событий. Но на самом глубоком уровне Вселенная может не иметь встроенного метронома. Ощущение текущего настоящего может быть макроскопической иллюзией, возникающей из неумолимого роста беспорядка. Пока атомы перемещались между светлыми и темными областями в камере Баронтини, они не измеряли время — они его генерировали.

Этот эксперимент появился в любопытный момент для фундаментальной физики в Европе. Проекты CERN по Future Circular Collider борются за миллиарды, в то время как национальные лаборатории с трудом поддерживают работу платформ с ультрахолодными атомами. Работа Баронтини, финансируемая за счет стандартных исследовательских грантов Великобритании, стоила лишь малую часть эксперимента на большом коллайдере, но затрагивает столь же глубокие вопросы. Это напоминание о том, что самые важные головоломки иногда умещаются на оптическом столе.

Команда планирует исследовать более сложные системы, включая те, где есть запутанность, чтобы увидеть, сохраняется ли энтропийное время при полной «странности» квантовой механики. Если это так, понятие универсальных часов может постепенно исчезнуть из законов физики, будучи замененным, возможно, ничем иным, как необратимым распространением атомов.

На данный момент 24 000 атомов в бирмингемской ловушке сделали нечто тихое, но примечательное: они показали, что Вселенная может работать только на изменениях. Никаких часов не требуется. Но сможет ли это энтропийное время в конечном итоге вытеснить обычное время, используемое во всех учебниках по физике, — вопрос открытый. Атомы представили свои доводы. Остальное зависит от теоретиков — и, как всегда, от следующего цикла финансирования.

Источники

• Physical Review Research (научная статья об энтропийном времени в квантовой системе из 24 000 атомов)
• Материалы для прессы Бирмингемского университета
• Мультимедиа EurekAlert (изображения ловушки ультрахолодного рубидия)