Содержание статьи:
Вопрос о природе времени столетиями волнует философов и физиков. Считаем ли мы его объективной реальностью или всего лишь удобной мерой для описания движения планет, до сих пор оставалось неясным, существует ли время само по себе или является результатом процессов, происходящих внутри Вселенной. Профессор Джованни Баронтини из Университета Бирмингема предложил радикально новый подход. Он создал в лаборатории систему, которую можно назвать «мини-вселенной», и сумел измерить течение времени, не используя при этом ни одних часов. Результаты его исследования, опубликованные в журнале Physical Review Research, могут перевернуть наши представления о фундаментальном устройстве мироздания.
Почему в квантовой физике исчезают часы
В классической механике время — это внешний параметр. Мы смотрим на часы, чтобы понять, сколько прошло, предполагая, что время тикает одинаково для всех объектов. Однако в некоторых передовых теориях, таких как квантовая гравитация, возникает парадокс: на фундаментальном уровне Вселенная может не иметь встроенного «механизма» времени. Согласно уравнению Уилера-Девитта, мир может существовать как единое, неизменное квантовое состояние.
В такой модели нет внешнего наблюдателя с секундомером. Время должно «вырастать» из внутренних взаимодействий частиц. До недавнего времени это оставалось красивой математической абстракцией. Баронтини удалось воплотить её в жизнь, создав замкнутую систему, которая сама по себе задает ритм событий.
Как создать вселенную в холодильнике
Для своего эксперимента ученый использовал облако из двадцати четырех тысяч атомов, охлажденных до температуры всего в несколько миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля. В таком состоянии частицы теряют индивидуальность и начинают вести себя как единая волна. Эта система была изолирована от внешнего мира, превращаясь в герметичную модель вселенной.
Чтобы управлять этим «мини-космосом», Баронтини использовал два лазерных луча разной частоты. Они создали тонкий барьер, разделивший систему на две зоны:
- светлый сектор, за состоянием которого можно вести прямое наблюдение;
- темный сектор, недоступный для прямых измерений.
Светлый сектор в эксперименте постоянно расширялся и сжимался. Это напоминало циклы Большого взрыва и Большого сжатия, когда космос раздувается, а затем снова стягивается в точку. Главное достижение физика заключалось в том, что он сумел восстановить последовательность этих событий, находясь внутри системы, без обращения к лабораторным часам.
Время как мера беспорядка
Ключевым понятием в работе стала энтропия — мера хаотичности системы. В привычном нам мире время движется вперед, потому что энтропия Вселенной растет: стакан разбивается, но не собирается из осколков сам по себе. Баронтини обнаружил, что в его «мини-вселенной» время возникает именно из-за перераспределения атомов между светлым и темным секторами.
Когда атомы перетекали из одной зоны в другую, меняя общий «беспорядок» системы, возникало ощущение течения времени. Если распределение частиц оставалось стабильным, время для этой системы фактически останавливалось. Исследователь назвал это явление «энтропийным временем».
Этот тип времени обладает удивительными свойствами:
- оно имеет четко выраженное направление, или «стрелу времени»;
- позволяет правильно упорядочить события даже в сжимающейся вселенной;
- может ускоряться или замедляться в зависимости от того, как именно движется энтропия.
Эксперимент доказал, что стандартные уравнения квантовой механики (уравнение Шрёдингера) прекрасно работают, даже если вместо привычного «тикающего» времени использовать это новое, внутреннее время.
Почему это важно для понимания Большого взрыва
Одной из главных проблем теоретической физики является невозможность объединить квантовую механику и общую теорию относительности. В экстремальных условиях — например, в момент зарождения нашей Вселенной или внутри черных дыр — привычные понятия пространства и времени перестают работать. Эксперимент Баронтини дает физикам «полигон» для проверки идей, которые раньше существовали только на бумаге.
Теперь исследователи могут моделировать процессы, происходившие в первые мгновения после Большого взрыва, не полагаясь на абстрактные предположения о существовании времени. Это открывает путь к созданию в лаборатории моделей черных дыр и проверке конкурирующих теорий квантовой гравитации. Вместо того чтобы спорить о том, что происходило в сингулярности, ученые смогут увидеть это в поведении холодных атомов.
Пределы точности и будущее измерений
Работа с «мини-вселенными» требует колоссальной точности. Даже малейшее внешнее воздействие может разрушить хрупкое квантовое состояние атомов. Тем не менее, Баронтини удалось показать, что система следует стандартным законам физики, несмотря на отсутствие внешних часов.
Это ставит перед нами новый вопрос: если время — это внутреннее свойство системы, то может ли оно течь по-разному в разных частях реальной Вселенной? Пока это остается предметом дискуссий, но технология, разработанная в Бирмингеме, позволяет приблизиться к ответу. В будущем подобные установки могут помочь в создании квантовых компьютеров, которым не нужны внешние синхронизаторы для работы.
Открытие «энтропийного времени» меняет саму логику научного поиска. Мы привыкли, что для измерения чего-либо нам нужен внешний эталон. Оказалось, что сама материя содержит в себе механизм отсчета мгновений. Это заставляет по-новому взглянуть на наше место во Вселенной: возможно, время не просто окружает нас, а рождается вместе с нами в каждом акте изменения и перемешивания материи.