2.4万个原子构建的迷你宇宙揭示：时间无需时钟——其奥秘何在？

本周发表在《Physical Review Research》上的一项实验，直面了一个数十年来一直困扰物理学基础的难题。在量子引力理论中，时间并非现实中内置的特征。然而，我们却能感受到一条从过去指向未来的清晰箭头。由Giovanni Barontini教授领导的伯明翰团队着手测试时间是否能纯粹由变化产生——具体来说，即由粒子在系统中的扩散方式产生，这一概念被称为熵时间（entropic time）。他们通过对24,000个超冷原子进行千周期的舞动，得出了一个谨慎肯定的答案。

在伯明翰实验室锻造24,000原子的微型宇宙

Barontini的研究小组将铷原子限制在光学陷阱中，通过冷却使量子行为占据主导地位。两束激光在原子云中开辟出一道薄墙，创造出一个研究人员可以直接观察的“明亮”区域，以及一个隐藏在视野之外的“黑暗”扇区。明亮的一侧会周期性地膨胀和收缩，模拟了一个能够逆转其膨胀过程的周期性宇宙学模型。由于整个系统与外部环境隔绝，重构事件时间线的唯一方法是根据内部原子的分布进行推断。

研究人员特意选择了24,000个原子。如果原子数量太少，熵变产生的统计信号就会过于嘈杂；如果太多，计算开销将变得难以控制。在这个尺度上，原子云的表现就像一个简化版的宇宙，既足够大以表现出热力学不可逆性，又足够小以至于可以在经典计算机上进行模拟。每个周期持续约十分之一秒，团队追踪了数百个周期，以确定他们定义的熵时间不仅仅是漂移，而是能够可靠地且单向地前进，即使在明亮区域收缩时也是如此。

熵时间：24,000原子的微型宇宙如何生成自己的时钟

熵时间背后的思想简单得令人惊讶：如果没有变化，时间就不会流逝。研究人员将时间的流逝与系统香农熵（Shannon entropy）的变化联系起来，这是衡量原子分散程度的一个指标。当明亮和黑暗区域交换粒子时，熵发生变化，按照他们的公式，时间便向前推进。当原子分布进入稳态时，时间就静止了——即使潜在的量子波函数以在传统时间看来是动态的方式继续演化。

Barontini的团队观察到，这种熵时间总是指向前方，即使是在实际宇宙中代表“大挤压”（Big Crunch）的收缩阶段也是如此。尽管潜在的物理定律是时间对称的，但它从未逆转。Barontini说：“在某些宇宙理论，特别是量子引力中，时间并不表现为一种内置特征。然而在日常生活中，时间从过去流向未来。当大多数基本的物理定律在正向和反向上运作方式相同时，为什么会这样？”该实验提出了一个答案：时间之箭仅仅来自于熵的增长，而非源于一个基础时钟。

此外，熵时间的步调会根据熵变化的快慢而加速或减速。在快速膨胀期间，当原子从明亮区域涌入黑暗区域时，熵时间的滴答声变快；在缓慢收缩期间，它则变慢。这不仅仅是哲学上的文字游戏。团队利用熵时间作为演化参数，重写了量子力学的核心方程——薛定谔方程。他们发现，原子云概率分布的演化与标准的量子预测保持一致，只不过时间参数是由无序度定义的，而非实验室的秒表。

24,000原子的微型宇宙对量子引力意味着什么

这项工作为长期局限于黑板推演的理论打开了一个罕见的实验窗口。量子引力理论往往在时间问题上陷入困境，因为广义相对论将时间视为动态的，而量子力学则要求一个固定的背景时钟。如果时间可以在受控的实验室环境中由熵产生，那么这为以下模型提供了可信度：即早期宇宙的时间之箭并非源于原始时钟，而是源于大爆炸后熵的快速增加。

Barontini的装置并不是第一个探索熵时间的，但它是首批在可以周期性监测的量子多体系统中展示这一点的实验之一。此前的方案依赖于抽象的思想实验或无法重复的宇宙学观测。在这里，团队可以重置系统并观察箭头的重现，它总是指向前方。Barontini说：“这为量子引力中时间的本质提供了新的见解。它可以像传统时间一样有效地用于描述动力学。”

该平台还架起了两个鲜有交集的群体之间的桥梁：冷原子实验物理学家和量子引力理论学家。为顶尖原子钟提供动力的相同光学陷阱技术，现在可能被重新利用来探索时间的本质。这并不是要制造一个更好的时钟，而是要质疑时钟是否真的必要。

从黑板到实验台：测试不可测试之物

几十年来，关于时间涌现的问题一直稳稳地处于理论物理学的领域。伯明翰的实验表明，这些问题中至少有一个版本现在可以在实验上解决。通过调整激光屏障或原子数量，研究人员可以模拟不同的宇宙学场景，从加速膨胀到类似热寂的最终状态。Barontini建议，该平台最终可能用于研究黑洞模拟或模拟早期宇宙的条件，即量子效应和引力效应共存的环境。

当然，24,000个原子的气体与真实的宇宙相去甚远。该系统是非相对论性的，且引力不起作用。这里定义的熵时间是一个有效参数，而不是一个基本场。批评者可能会认为，该实验只是用一种时间的运行定义代替了另一种，并没有证明时间是真正涌现的。但伯明翰团队从未声称解决了这一争论；他们证明了，如果你接受熵作为时钟，量子力学仍然保持一致，时间之箭依然存在。这是熵时间在物理上有意义的必要条件，而非充分条件。

一个没有主时钟的实验室宇宙

更广泛的含义是，时间可能并不像我们假设的那样基础。在日常生活中，我们依靠时钟——铯原子喷泉、石英振荡器、地球自转——来同步事件。但在最深层次上，宇宙可能并不自带节拍器。对流逝之“现在”的体验可能是一种宏观错觉，源于无序度的不断增加。当原子在Barontini的腔室中在明亮和黑暗区域之间穿梭时，它们并非在测量时间；它们是在生成时间。

这一实验出现在欧洲基础物理学的一个微妙时刻。CERN的未来环形对撞机（Future Circular Collider）项目竞逐着数十亿资金，而国家实验室则在努力维持超冷原子平台的运行。Barontini的工作通过英国常规研究经费资助，成本仅为大型对撞机实验的一小部分，却触及了同样深刻的问题。它提醒人们，最深奥的谜题有时就放在光学平台上。

该团队计划研究更复杂的系统，包括那些具有量子纠缠的系统，以观察熵时间在量子力学的全面诡异特征下是否依然成立。如果成立，宇宙时钟的概念可能会从物理定律中缓慢退场——取而代之的，也许仅仅是原子的不可逆扩散。

目前，伯明翰陷阱中的那24,000个原子已经完成了一项悄然卓越的成就：它们证明了一个宇宙可以仅靠变化运行。无需时钟。但这种熵时间最终能否取代每本物理教科书中使用的传统时间，仍是一个悬而未决的问题。原子已经给出了它们的论据，剩下的就看理论家了——当然，还要看下一个拨款周期。

来源

• Physical Review Research（关于24,000原子量子系统中熵时间的研究论文）
• 伯明翰大学新闻材料
• EurekAlert多媒体（超冷铷陷阱图像）