Bu hafta Physical Review Research'te yayımlanan deney, onlarca yıldır fiziğin temellerini meşgul eden bir bilmeceyle yüzleşiyor. Kuantum kütleçekimi teorilerinde zaman, gerçekliğin yerleşik bir özelliği olarak görünmüyor. Yine de geçmişten geleceğe doğru net bir ok deneyimliyoruz. Profesör Giovanni Barontini liderliğindeki Birmingham ekibi, zamanın tamamen değişimden —özellikle de parçacıkların bir sistem içinde yayılma biçiminden— yani entropik zaman olarak bilinen bir kavramdan kaynaklanıp kaynaklanamayacağını test etmek için yola çıktı. Binlerce döngülük ultra soğuk atom dansına işledikleri cevapları ise temkinli bir evet.
Birmingham laboratuvarında 24.000 atomluk mini bir evren oluşturmak
Barontini'nin grubu, rubidyum atomlarını optik bir tuzakla hapsetti ve kuantum davranışının baskın hale gelmesi için onları soğuttu. İki lazer ışını, bulutun içinden ince bir duvar açarak araştırmacıların doğrudan gözlemleyebildiği "parlak" bir bölge ve görünürden gizlenmiş "karanlık" bir sektör oluşturdu. Parlak taraf periyodik olarak genişleyip daralarak, genişlemesini tersine çeviren bir evrenin döngüsel kozmolojisine benzer bir davranış sergiledi. Sistemin tamamı dış çevreden izole edildiği için, olayların zaman çizelgesini yeniden oluşturmanın tek yolu, içerideki atom dağılımlarından çıkarım yapmaktı.
Araştırmacılar 24.000 atomu bilinçli olarak seçti. Daha azı olsaydı, entropi değişimlerinden gelen istatistiksel sinyal çok gürültülü olurdu. Daha fazlası olsaydı, hesaplama yükü yönetilemez hale gelirdi. Bu ölçekte bulut, termodinamik tersinmezliği sergileyecek kadar büyük, ancak klasik bir bilgisayarda simüle edilebilecek kadar küçük, basitleştirilmiş bir evren gibi davrandı. Her döngü yaklaşık onda bir saniye sürdü ve ekip, tanımladıkları entropik zamanın sadece kaymadığını, parlak bölge daralsa bile güvenilir bir şekilde ve tek yönde ilerlediğini kanıtlamak için yüzlerce döngüyü takip etti.
Entropik zaman: 24.000 atomluk mini evren kendi saatini nasıl üretiyor?
Entropik zamanın arkasındaki fikir şaşırtıcı derecede basit: Hiçbir şey değişmezse, zaman geçmez. Araştırmacılar, zamanın akışını sistemin Shannon entropisindeki değişimlerle, yani atomların ne kadar yayıldığının bir ölçüsüyle ilişkilendirdi. Parlak ve karanlık bölgeler parçacık değiş tokuşu yaptığında entropi değişti ve formülasyonlarına göre zaman ilerledi. Atomların dağılımı sabit bir duruma ulaştığında ise, temel kuantum dalga fonksiyonu geleneksel zaman altında dinamik görünecek şekilde evrilmeye devam etse bile, zaman durdu.
Barontini'nin ekibi, bu entropik zamanın gerçek bir kozmosta "Büyük Çöküş"ü (Big Crunch) temsil edecek daralma evresinde bile her zaman ileriye dönük olduğunu gözlemledi. Temeldeki fizik zaman-simetrik olmasına rağmen, zaman asla geriye gitmedi. Barontini, "Özellikle kuantum kütleçekimi gibi bazı evren teorilerinde zaman, yerleşik bir özellik olarak görünmüyor," dedi. "Yine de günlük yaşamda zaman geçmişten geleceğe akar. Fiziğin temel yasalarının çoğu ileri ve geri yönde aynı şekilde çalışırken bu neden böyle?" Deney buna bir cevap sunuyor: Zamanın oku temel bir saatten değil, yalnızca entropi artışından kaynaklanıyor.
Dahası, entropik zamanın hızı, entropinin ne kadar hızlı değiştiğine bağlı olarak hızlanabiliyor veya yavaşlayabiliyordu. Hızlı genişleme sırasında, atomlar parlak bölgeden karanlık bölgeye aktığında entropik zaman daha hızlı işledi. Yavaş daralmalar sırasında ise yavaşladı. Bu sadece felsefi bir göz boyama değil. Ekip, kuantum mekaniğinin temel denklemi olan Schrödinger denklemini, evrim parametresi olarak entropik zamanı kullanarak yeniden yazdı. Atom bulutunun olasılık dağılımının evriminin, laboratuvar kronometresi yerine düzensizlikle tanımlanan bir zaman parametresiyle bile olsa, standart kuantum tahminleriyle tutarlı kaldığını buldular.
24.000 atomluk mini evren, kuantum kütleçekimi için ne anlama geliyor?
Çalışma, büyük ölçüde tahta üzerindeki hesaplamalara hapsolmuş fikirlere nadir bir deneysel pencere açıyor. Kuantum kütleçekimi teorileri genellikle zaman konusunda zorlanır çünkü genel görelilik zamanı dinamik olarak ele alırken, kuantum mekaniği sabit bir arka plan saati gerektirir. Eğer zaman kontrollü bir laboratuvar ortamında entropiden ortaya çıkabiliyorsa, bu durum erken evrenin zaman okunun ilkel bir saatten değil, Büyük Patlama'dan sonraki hızlı entropi artışından kaynaklandığı modellere güç kazandırıyor.
Barontini'nin düzeneği entropik zamanı araştıran ilk çalışma değil, ancak bunu döngü döngü izlenebilen kuantum çok-cisimli bir sistemde gösteren ilk çalışmalardan biri. Önceki öneriler soyut düşünce deneylerine veya tekrarlanamayan kozmolojik gözlemlere dayanıyordu. Burada ise ekip sistemi sıfırlayabiliyor ve okun her zaman ileriye dönük şekilde yeniden ortaya çıkışını izleyebiliyor. Barontini, "Bu, kuantum kütleçekimindeki zamanın doğasına dair yeni bir içgörü sunuyor," dedi. "Dinamikleri, geleneksel zaman kadar etkili bir şekilde tanımlamak için kullanılabilir."
Platform ayrıca nadiren etkileşime giren iki topluluğu da birleştiriyor: soğuk atom deneycileri ve kuantum kütleçekimi teorisyenleri. En iyi atom saatlerine güç veren aynı optik tuzak teknolojisi, şimdi zamanın doğasını araştırmak için yeniden kullanılabilir. Bu, daha iyi bir saat yapmayla ilgili değil; saatlerin gerekli olup olmadığını sorgulamakla ilgili.
Tebeşir tahtalarından laboratuvar tezgahlarına: test edilemezi test etmek
Onlarca yıldır zamanın ortaya çıkışına dair sorular tamamen teorik fizik alanında yer alıyordu. Birmingham deneyi, bu soruların en azından bir versiyonunun artık deneysel olarak ele alınabilir olduğunu gösteriyor. Araştırmacılar, lazer bariyerini veya atom sayısını değiştirerek, hızlanan genişlemelerden ısı ölümü benzeri nihai durumlara kadar farklı kozmolojik senaryoları simüle edebilirler. Barontini, platformun gelecekte kara delik benzerlerini araştırmak veya kuantum ve kütleçekimsel etkilerin bir arada bulunduğu erken evrenin koşullarını simüle etmek için kullanılabileceğini öne sürdü.
Elbette, 24.000 atomluk bir gaz gerçek bir evrenden çok uzaktır. Sistem göreli değildir ve kütleçekimi hiçbir rol oynamaz. Burada tanımlanan entropik zaman temel bir alan değil, etkili bir parametredir. Eleştirenler, deneyin zamanın gerçekten ortaya çıkan bir olgu olduğunu kanıtlamadan, zamanın bir işlemsel tanımını diğeriyle değiştirdiğini savunabilir. Ancak Birmingham ekibi hiçbir zaman tartışmayı bitirdiklerini iddia etmedi; sadece entropiyi saat olarak kabul ederseniz kuantum mekaniğinin tutarlı kaldığını ve zamanın okunun varlığını sürdürdüğünü gösterdiler. Bu, entropik zamanın fiziksel olarak anlamlı olması için gerekli ancak yeterli olmayan bir koşuldur.
Ana saatten yoksun laboratuvar evreni
Daha geniş kapsamlı çıkarım, zamanın varsaydığımız kadar temel olmayabileceği yönündedir. Günlük yaşamda olayları senkronize etmek için saatlere —sezyum çeşmeleri, kuvars osilatörler, Dünya'nın dönüşü— güveniriz. Ancak en derin düzeyde evren, yerleşik bir metronomla gelmiyor olabilir. Akan bir şimdiki zaman deneyimi, durmak bilmeyen düzensizlik artışından kaynaklanan makroskobik bir yanılsama olabilir. Atomlar Barontini'nin haznesindeki parlak ve karanlık bölgeler arasında yer değiştirirken, zamanı ölçmüyorlardı; zamanı üretiyorlardı.
Deney, Avrupa'da temel fizik için merak uyandırıcı bir anda gerçekleşiyor. CERN'in Gelecek Dairesel Çarpıştırıcı (Future Circular Collider) çalışmaları milyarlarca dolar için rekabet ederken, ulusal laboratuvarlar ultra soğuk atom platformlarını çalışır durumda tutmakta zorlanıyor. İngiltere'deki standart araştırma hibeleriyle finanse edilen Barontini'nin çalışması, büyük bir çarpıştırıcı deneyinin çok küçük bir kısmına mal oldu ancak aynı derecede derin sorulara değiniyor. Bu, en derin bilmecelerin bazen bir optik masa üzerine sığabileceğinin bir hatırlatıcısıdır.
Ekip, entropik zamanın kuantum mekaniğinin tüm tuhaflıkları altında geçerli olup olmadığını görmek için dolanıklık içerenler de dahil olmak üzere daha karmaşık sistemleri araştırmayı planlıyor. Eğer öyleyse, evrensel bir saat kavramı fizik yasalarından yavaş yavaş geri çekilebilir; belki de yerini sadece atomların geri döndürülemez yayılımına bırakır.
Şimdilik, Birmingham'daki o tuzaktaki 24.000 atom sessizce dikkat çekici bir şey yaptı: Bir evrenin sadece değişimle işleyebileceğini gösterdiler. Saate gerek yok. Ancak bu entropik zamanın, her fizik ders kitabında kullanılan geleneksel zamanın yerini alıp alamayacağı hâlâ açık bir soru. Atomlar iddialarını ortaya koydular. Gerisi teorisyenlere —ve her zamanki gibi bir sonraki hibe döngüsüne— kalmış.
Kaynaklar
- Physical Review Research (24.000 atomlu kuantum sisteminde entropik zaman üzerine araştırma makalesi)
- University of Birmingham basın materyalleri
- EurekAlert multimedya (ultra soğuk rubidyum tuzağı görselleri)
Comments
No comments yet. Be the first!