Ένας φυσικός από το Πανεπιστήμιο του Μπέρμιγχαμ δημιούργησε ένα εργαστηριακό «μίνι σύμπαν» που φέρνει τους επιστήμονες ένα βήμα πιο κοντά στην απάντηση σε ένα από τα μεγαλύτερα ερωτήματα της φυσικής: Τι είναι ο χρόνος;
Σε μια μελέτη που δημοσιεύτηκε από τον Dr Μελέτες φυσικής ανασκόπησηςΟ καθηγητής Giovanni Barontini δείχνει ότι είναι δυνατή η μέτρηση του χρόνου χωρίς να βασιζόμαστε στα ρολόγια. Αντίθετα, το πείραμα δείχνει ότι μια εκδοχή του χρόνου μπορεί φυσικά να προκύψει από τη συμπεριφορά ενός κβαντικού συστήματος.
Γιατί ορισμένοι φυσικοί πιστεύουν ότι ο χρόνος δεν μπορεί να είναι θεμελιώδης
Αρκετές θεωρίες στη σύγχρονη φυσική υποδηλώνουν ότι ο χρόνος μπορεί να μην υπάρχει ως εγγενής ιδιότητα του σύμπαντος. Ένα παράδειγμα είναι η εξίσωση Wheeler-DeWitt, η οποία περιγράφει το σύμπαν ως μια ενιαία κβαντική κατάσταση χωρίς εξωτερικό ρολόι. Σε αυτήν την εικόνα, τα σωματίδια παρουσιάζουν συμπεριφορά και κυματική και σωματιδιακή, και η γνωστή ροή του χρόνου πρέπει να προκύπτει από τη σχέση μεταξύ των διαφόρων τμημάτων του συστήματος και όχι από ένα ανεξάρτητο ρολόι που χτυπά.
Για να διερευνήσει πειραματικά αυτή την ιδέα, ο καθηγητής Barontini δημιούργησε ένα απλοποιημένο κβαντικό «σύμπαν» χρησιμοποιώντας ένα νέφος 24.000 υπερψυχρά ατόμων που ψύχονται σε μόλις μερικά δισεκατομμυριοστά πάνω από το απόλυτο μηδέν. Τα άτομα σφραγίστηκαν μέσα σε ένα σύστημα απομόνωσης και διαχωρίστηκαν από ένα λεπτό φράγμα κατασκευασμένο από δύο ακτίνες λέιζερ διαφορετικών συχνοτήτων. Αυτό δημιούργησε δύο περιοχές: μια παρατηρούμενη (“φωτεινή”) περιοχή και μια απαρατήρητη (“σκοτεινή”) περιοχή.
Ένα σύμπαν μινιατούρα με τη δική του αίσθηση του χρόνου
Μέσα σε αυτό το μικροσκοπικό σύμπαν, η φωτεινή περιοχή επεκτάθηκε και συρρικνώθηκε επανειλημμένα, ένα Big Crunch παρόμοιο με μια απλοποιημένη εκδοχή ενός Big Bang, ένα υποθετικό γεγονός στο οποίο η διαστολή του Σύμπαντος τελικά αντιστρέφεται.
Επειδή το σύστημα ήταν εντελώς απομονωμένο, οι ερευνητές μπορούσαν να ανακατασκευάσουν την ακολουθία των γεγονότων χρησιμοποιώντας μόνο πληροφορίες από το εσωτερικό του μικρόκοσμου, χωρίς αναφορά σε κανένα εξωτερικό εργαστηριακό ρολόι.
Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι ο χρόνος, αντί να υπάρχει ως ανεξάρτητο υπόβαθρο, μπορεί να προκύψει από αλλαγές που συμβαίνουν μέσα σε ένα κβαντικό σύστημα που κινείται πάντα προς τα εμπρός.
Πώς η Εντροπία χτίζει τον χρόνο
Το πείραμα αποκάλυψε ότι ο «χρόνος» προέκυψε από αλλαγές στην αταξία, ή τη διασπορά (εντροπία), καθώς τα άτομα κινούνταν μεταξύ φωτεινών και σκοτεινών περιοχών. Μαζί με αυτό το κίνημα, το σύστημα παρέμεινε απομονωμένο από τον έξω κόσμο.
Το σύστημα προχωρά αποτελεσματικά στο χρόνο καθώς η κατανομή των σωματιδίων στη φωτεινή περιοχή αυξάνεται ή μειώνεται. Όταν η κατανομή των σωματιδίων σταμάτησε να αλλάζει, ο ίδιος ο χρόνος ουσιαστικά σταμάτησε.
Ο καθηγητής Barontini αναφέρεται σε αυτή την έννοια ως «εντροπικός χρόνος». Στο πείραμα, αυτή η μορφή χρόνου:
- ρέει σε μια συνεκτική κατεύθυνση, δημιουργώντας ένα σαφές «βέλος του χρόνου».
- Τακτοποιήστε σωστά τα γεγονότα καθώς το μίνι σύμπαν διαστέλλεται και συστέλλεται
- Μπορεί να επιταχύνει ή να επιβραδύνει ανάλογα με τον τρόπο ανακατανομής της εντροπίας
Ο καθηγητής Barontini είπε: “Σε ορισμένες θεωρίες του σύμπαντος, ιδίως την κβαντική βαρύτητα, ο χρόνος δεν εμφανίζεται ως ενσωματωμένο χαρακτηριστικό. Ωστόσο, στην καθημερινή ζωή, ο χρόνος ρέει από το παρελθόν στο μέλλον — γιατί συμβαίνει αυτό, όταν οι περισσότεροι θεμελιώδεις νόμοι της φυσικής λειτουργούν εξίσου προς τα εμπρός και προς τα πίσω;
“Αυτή η έρευνα παρέχει τις πρώτες ελεγχόμενες πειραματικές ενδείξεις ότι ο “χρόνος” μπορεί να οριστεί από αλλαγές μέσα σε ένα σύστημα και όχι από το εξωτερικό “ρολόι” που θεωρούμε ως χρόνο.
Πειραματισμός με την κβαντική βαρύτητα στο εργαστήριο
Οι ερευνητές ανακάλυψαν επίσης ότι μια εκδοχή της εξίσωσης Schrödinger, η θεμελιώδης εξίσωση της κβαντικής μηχανικής, μπορεί να εκφραστεί χρησιμοποιώντας τον εντροπικό χρόνο. Αυτό σημαίνει ότι οι επιστήμονες μπορούν ακόμα να προβλέψουν πώς το «σύννεφο πιθανοτήτων» ενός κβαντικού συστήματος εξελίσσεται με την πάροδο του χρόνου, ακόμη και όταν ο χρόνος ορίζεται από εσωτερικές διακυμάνσεις και όχι από εξωτερικά ρολόγια.
Η εργασία αντιμετωπίζει μακροχρόνια προβλήματα στη φυσική. Εάν ορισμένες θεωρίες είναι σωστές και το σύμπαν δεν έχει ενσωματωμένο ρολόι, πώς μπορούν τα γεγονότα να τοποθετηθούν στη σωστή σειρά; Το πείραμα υποδηλώνει ότι η απάντηση μπορεί να βρίσκεται στην εσωτερική εξέλιξη του ίδιου του συστήματος.
Ο καθηγητής Barontini έδειξε ότι το μικροσκοπικό σύμπαν ακολουθεί τους τυπικούς νόμους της κβαντικής μηχανικής και επιτρέπει τις ιδέες για τη φύση του χρόνου, οι οποίες συνήθως περιορίζονται σε θεωρίες που περιγράφουν το σύμπαν ως σύνολο, να δοκιμαστούν υπό ελεγχόμενες εργαστηριακές συνθήκες.
Προς τα πειράματα με τη Μεγάλη Έκρηξη και τις Μαύρες Τρύπες
Τα μίνι σύμπαντα παρέχουν μια πολύτιμη πειραματική πλατφόρμα για τον έλεγχο των εννοιών της κβαντικής κοσμολογίας και της κβαντικής βαρύτητας. Αντί να βασίζονται αποκλειστικά σε μαθηματικά μοντέλα, οι επιστήμονες μπορεί τώρα να είναι σε θέση να διερευνήσουν ιδέες που σχετίζονται με το πρώιμο σύμπαν μέσω εργαστηριακών πειραμάτων.
Η ομάδα είπε ότι η ίδια προσέγγιση θα μπορούσε τελικά να επεκταθεί σε πιο σύνθετα κβαντικά συστήματα, ανοίγοντας την πόρτα σε πειράματα που εξερευνούν ανταγωνιστικές θεωρίες σχετικά με τη φυσική της Μεγάλης Έκρηξης, του «Big Crunch», προσομοίωσης μαύρων τρυπών και του τρόπου με τον οποίο εμφανίστηκε ο ίδιος ο χρόνος.
