Ett mini-universum med 24 000 atomer visar att tid inte kräver en klocka — så här fungerar det

Experimentet, som publicerades denna vecka i Physical Review Research, konfronterar ett pussel som har stört fysikens grunder i årtionden. I teorier om kvantgravitation framstår inte tid som en inbyggd egenskap hos verkligheten. Ändå upplever vi en tydlig pil från dåtid till framtid. Teamet i Birmingham, lett av professor Giovanni Barontini, föresatte sig att testa om tid kan uppstå enbart ur förändring — närmare bestämt ur hur partiklar sprids genom ett system, ett koncept känt som entropisk tid. Deras svar, inristat i en dans av ultrakalla atomer i tusen cykler, är ett försiktigt ja.

Att skapa ett miniversum med 24 000 atomer i ett laboratorium i Birmingham

Barontinis grupp inneslöt rubidiumatomer i en optisk fälla och kylde ner dem tills kvantbeteende dominerade. Två laserstrålar skar en tunn vägg genom molnet och skapade en ”ljus” region som forskarna kunde observera direkt och en ”mörk” sektor dold för insyn. Den ljusa sidan expanderade och kontraherade periodvis, vilket efterliknade den cykliska kosmologin hos ett universum som vänder sin expansion. Eftersom hela systemet var isolerat från omgivningen var det enda sättet att rekonstruera en tidslinje för händelserna att härleda den från atomfördelningen inuti.

Forskarna valde 24 000 atomer medvetet. Med färre skulle den statistiska signalen från entropiförändringar bli för brusig. Med fler skulle den beräkningsmässiga belastningen bli ohanterlig. I denna skala betedde sig molnet som ett förenklat universum, tillräckligt stort för att uppvisa termodynamisk irreversibilitet men tillräckligt litet för att simuleras på en klassisk dator. Varje cykel varade i ungefär en tiondels sekund, och teamet spårade hundratals cykler för att fastställa att den entropiska tid de definierat inte bara drev iväg — den fortskred tillförlitligt och i en riktning, även när den ljusa regionen kontraherade.

Entropisk tid: hur miniversumet med 24 000 atomer genererar sin egen klocka

Idén bakom entropisk tid är avväpnande enkel: om ingenting förändras, går ingen tid. Forskarna kopplade tidens gång till förändringar i systemets Shannon-entropi, ett mått på hur utspridda atomerna var. När de ljusa och mörka regionerna utbytte partiklar skiftade entropin, och enligt deras formulering fortskred tiden. När fördelningen av atomer stabiliserades i ett jämviktstillstånd stod tiden stilla — även om den underliggande kvantvågfunktionen fortsatte att utvecklas på ett sätt som, under konventionell tid, skulle se dynamiskt ut.

Barontinis team observerade att denna entropiska tid alltid pekade framåt, även under den kontraheringsfas som i ett verkligt kosmos skulle representera en "Big Crunch". Den vände aldrig, trots att den underliggande fysiken var tidssymmetrisk. ”I vissa teorier om universum, särskilt kvantgravitation, framstår inte tid som en inbyggd egenskap”, sade Barontini. ”Ändå flyter tiden i vardagen från dåtid till framtid. Varför är det så, när de flesta grundläggande fysiklagar fungerar likadant framåt som bakåt?” Experimentet antyder ett svar: tidens pil uppstår enbart ur entropitillväxt, inte ur en fundamental klocka.

Tempot i den entropiska tiden kunde dessutom öka eller minska beroende på hur snabbt entropin förändrades. Under snabb expansion, när atomer strömmade från den ljusa regionen till den mörka, tickade den entropiska tiden snabbare. Under långsamma kontraktioner saktade den ner. Detta är inte bara filosofisk trolleri. Teamet skrev om Schrödingerekvationen — kvantmekanikens centrala ekvation — med entropisk tid som utvecklingsparameter. De fann att utvecklingen av atommolnets sannolikhetsfördelning förblev förenlig med standardiserade kvantförutsägelser, bara med en tidsparameter definierad av oordning snarare än ett laboratoriestoppur.

Vad ett miniversum med 24 000 atomer betyder för kvantgravitation

Arbetet öppnar ett sällsynt experimentellt fönster mot idéer som till stor del varit begränsade till beräkningar på svarta tavlor. Teorier om kvantgravitation brottas ofta med tid eftersom den allmänna relativitetsteorin behandlar tid som dynamisk, medan kvantmekaniken kräver en fast bakgrundsklocka. Om tid kan uppstå ur entropi i en kontrollerad laboratoriemiljö ger det trovärdighet åt modeller där det tidiga universums tidspil inte uppstod ur en primordial klocka utan ur den snabba ökningen av entropi efter Big Bang.

Barontinis uppställning är inte den första som utforskar entropisk tid, men den är bland de första som demonstrerar det i ett kvantsystem med många kroppar som kan övervakas cykel efter cykel. Tidigare förslag förlitade sig på abstrakta tankeexperiment eller kosmologiska observationer som inte går att upprepa. Här kunde teamet återställa systemet och se pilen uppstå på nytt, alltid pekande framåt. ”Det erbjuder ny insikt i tidens natur inom kvantgravitation”, sa Barontini. ”Den skulle kunna användas för att beskriva dynamik lika effektivt som konventionell tid.”

Plattformen överbryggar också två grupper som sällan interagerar: experimentalister inom kalla atomer och teoretiker inom kvantgravitation. Samma optiska fällteknik som driver de bästa atomklockorna kan nu komma att användas för att undersöka tidens sanna natur. Det handlar inte om att bygga en bättre klocka; det handlar om att fråga om klockor ens är nödvändiga.

Från svarta tavlor till laboratoriebänkar: att testa det otestbara

I årtionden har frågor om tidens uppkomst legat helt inom den teoretiska fysikens domän. Birminghamexperimentet visar att åtminstone en version av dessa frågor nu är experimentellt adresserbar. Genom att justera laserbarriären eller antalet atomer skulle forskare kunna simulera olika kosmologiska scenarier, från accelererande expansioner till slutstadium likt värmedöd. Barontini föreslog att plattformen så småningom skulle kunna användas för att undersöka svarta hål-analoger eller för att simulera förhållandena i det tidiga universum, där kvant- och gravitationseffekter samexisterar.

Naturligtvis är en gas med 24 000 atomer långt ifrån ett riktigt universum. Systemet är icke-relativistiskt och gravitationen spelar ingen roll. Den entropiska tid som definieras här är en effektiv parameter, inte ett fundamentalt fält. Kritiker kan hävda att experimentet helt enkelt ersätter en operativ definition av tid med en annan, utan att bevisa att tid verkligen är emergent. Men Birminghamposten har aldrig hävdat att de avgjort debatten; de har visat att om man accepterar entropi som klocka, förblir kvantmekaniken konsekvent och tidens pil består. Det är ett nödvändigt villkor — inte ett tillräckligt — för att entropisk tid ska vara fysiskt meningsfull.

Ett laboratorieuniversum utan huvudklocka

Den bredare innebörden är att tid kanske inte är så fundamental som vi antar. I vardagen förlitar vi oss på klockor — cesiumfontäner, kvartsoscillatorer, jordens rotation — för att synkronisera händelser. Men på den djupaste nivån kanske universum inte levereras med en inbyggd metronom. Upplevelsen av ett flödande nu kan vara en makroskopisk illusion som uppstår ur den obevekliga ökningen av oordning. När atomerna blandades mellan ljusa och mörka regioner i Barontinis kammare mätte de inte tid; de genererade den.

Experimentet landar vid en märklig tidpunkt för fundamental fysik i Europa. CERN:s Future Circular Collider-studier tävlar om miljarder, medan nationella laboratorier kämpar för att hålla plattformar för ultrakalla atomer igång. Barontinis arbete, finansierat genom vanliga brittiska forskningsanslag, kostade en bråkdel av ett stort kollider-experiment men berör frågor som är lika djupa. Det är en påminnelse om att de mest djupgående pusslen ibland får plats på ett optiskt bord.

Teamet planerar att undersöka mer komplexa system, inklusive de med sammanflätning, för att se om entropisk tid håller under kvantmekanikens fulla märklighet. Om den gör det, kan föreställningen om en universell klocka långsamt dra sig tillbaka från fysikens lagar — ersatt, kanske, av inget annat än atomernas irreversibla spridning.

För närvarande har de 24 000 atomerna i Birminghamfällan gjort något i det tysta anmärkningsvärt: de har visat att ett universum kan drivas enbart av förändring. Ingen klocka krävs. Men om denna entropiska tid i slutändan kan rubba den konventionella tid som används i varje fysiklärobok är fortfarande en öppen fråga. Atomerna har lagt fram sitt fall. Resten är upp till teoretikerna — och, som alltid, till nästa anslagsomgång.

Källor

• Physical Review Research (forskningsartikel om entropisk tid i ett kvantsystem med 24 000 atomer)
• Pressmaterial från University of Birmingham
• EurekAlert multimedia (bilder av fälla för ultrakallt rubidium)