Миниатюрная вселенная, где время возникает из хаоса

Физик создал в лаборатории миниатюрную вселенную, где время не отсчитывается по внешним часам, а возникает естественным образом из самой системы — и секретный ингредиент может оказаться хаосом, а точнее, энтропией.

Задумывались ли вы когда-нибудь, глядя на звёзды: что такое время на самом деле? Я не про то, какой сегодня день или сколько осталось до отпуска. Я про фундаментальную природу времени. А что, если одни из самых умных людей на планете считают, что время вообще не встроено в устройство вселенной?

Именно это исследует физик из Бирмингемского университета, и его последний эксперимент — просто невероятен. Он basically создал крошечную замкнутую вселенную у себя в лаборатории и задался вопросом: можно ли отслеживать время здесь, вообще не глядя на часы? Спойлер: ответ, похоже, да — но совсем не по тем причинам, которые вы могли бы ожидать.

Проблема вселенной без часов

Вот что постоянно крутится у меня в голове: большинство фундаментальных законов физики совершенно не волнует направление времени. Запускайте их вперёд или назад — уравнения работают одинаково. Но в реальной жизни мы явно ощущаем, как время течёт в одном направлении. Мы стареем. Яйца разбиваются, но не собираются обратно. Горячий кофе остывает, но никогда не нагревается сам по себе.

Этот разрыв между физикой, описывающей реальность, и нашим реальным опытом называют проблемой «стрелы времени», и она беспокоит физиков уже больше века.

А теперь самое странное. Некоторые самые амбициозные теории в физике — включая попытки объединить квантовую механику с общей теорией относительности (так называемая «квантовая гравитация») — предполагают, что у самой вселенной может не быть встроенных часов. Знаменитое уравнение Уилера-Девитта по сути описывает всю космологию как одно замороженное квантовое состояние, без какого-либо внешнего хронометража.

Так что если никаких космических часов в фоне нет, откуда берётся привычный поток времени?

Строим вселенную в коробке

Именно это и решил исследовать профессор Джованни Баротини в эксперименте, который одинаково гениален и невероятен. Он создал то, что называет «мини-вселенной», используя 24 000 ультрахолодных атомов — атомов, охлаждённых до температур, так близких к абсолютному нулю, что они начинают вести себя способами, немыслимыми в нашем повседневном мире.

Эти атомы запечатали в изолированном контейнере и разделили на две области барьером из лазерных лучей. Одну область он назвал «светлой» (где происходят измерения), а другую — «тёмной» (которая остаётся ненаблюдаемой). Вся система была полностью изолирована от внешнего мира — никаких внешних часов, никаких помех, просто крошечный островок квантовой странности, парящий в лаборатории.

И then произошла красота.

Наблюдаем мини-Большой взрыв (и схлопывание)

Внутри этой миниатюрной вселенной светлая область начала делать нечто удивительное: она многократно расширялась и сжималась, как крошечная зацикленная версия Большого взрыва, за которым следует гипотетический Большой коллапс — сценарий, при котором расширение вселенной в конце концов разворачивается и всё схлопывается обратно.

Поскольку система была полностью изолирована, профессор Баротини и его команда могли отслеживать происходящее только используя информацию из самой системы. Заглянуть на внешние лабораторные часы не было никакой возможности. Они должны были восстановить последовательность событий purely из внутренних процессов мини-вселенной.

И вот тут начинается самое умопомрачительное: это сработало. Они успешно упорядочили события во времени без какого-либо внешнего ориентира.

Настоящий секрет: всё дело в энтропии

Так что же отвечало за время в этом маленьком космосе? Ответ, согласно исследованию, — энтропия, по сути мера беспорядка или рассеяния в системе. Когда атомы перемещались между светлой и тёмной областями, энтропия (беспорядок, рассеяние) постоянно менялась. Когда распределение частиц в светлой области увеличивалось или уменьшалось, система эффективно двигалась вперёд во времени.

И вот ключевой момент: когда распределение частиц переставало меняться, время itself эффективно останавливалось.

Профессор Баротини называет это «энтропийным временем», и это не просто философская идея — эксперимент показал, что эта форма времени:

• Течёт в одном последовательном направлении (создавая ту самую знакомую стрелу времени)
• Правильно упорядочивает события даже когда вселенная проходит через расширение и сжатие
• Может ускоряться или замедляться в зависимости от перераспределения энтропии

Думайте об этом так: вместо того чтобы время было сценой, на которой разворачиваются события, энтропия сама становится временем. Изменения в беспорядке — это и есть тиканье часов.

Почему это важно (очень)

Вот почему я искренне воодушевлён этим исследованием. Мы давно знаем, что время ведёт себя по-разному в квантовой механике и в нашем повседневном опыте, но проверить эти идеи было практически невозможно, потому что мы не можем запускать эксперименты на всей вселенной. Эта мини-вселенная меняет правила игры.

Впервые учёные получили контролируемую лабораторную установку, где можно тестировать идеи о природе времени, которые раньше оставались теоретическими спекуляциями.

Команда также показала, что знаменитое уравнение Шрёдингера — фундаментальное уравнение квантовой механики — можно переформулировать с использованием концепции энтропийного времени. Это означает, что учёные всё ещё могут предсказывать, как эволюционируют квантовые системы, даже когда время определяется purely внутренними изменениями, а не внешними часами.

Общая картина

Буду с вами честен: часть меня находит эту концепцию одновременно захватывающей и слегка пугающей. Если время возникает из чего-то столь обыденного, как распределение частиц в системе, что это означает для нашего понимания реальности? Являются ли моменты времени реальными, или это просто полезные иллюзии, созданные изменением энтропии?

Профессор Баротини выразился прекрасно: «В повседневной жизни время течёт из прошлого в будущее — почему это так, если большинство базовых законов физики работают одинаково вперёд и назад?»

У нас всё ещё нет полного ответа на этот вопрос. Но такие эксперименты постепенно, осторожно освещают края нашего незнания.

Что дальше?

Команда now планирует расширить этот подход на более сложные квантовые системы. В конечном счёте это может открыть двери лабораторным экспериментам по изучению физики реального Большого взрыва, моделированию чёрных дыр и конкурирующим теориям о том, как время работает во всей космологии.

Невероятно амбициозные вещи. Но именно это делает физику такой прекрасной — готовность задавать вопросы, которые кажутся почти слишком фундаментальными, а затем actually проектировать эксперименты, чтобы их исследовать.

А пока я собираюсь посидеть и подумать о том факте, что в крошечной коробке в Бирмингеме, Англия, 24 000 атомов усердно создают собственное ощущение времени, одно изменение энтропии за раз. И почему-то от этого я чувствую себя чуть более связанным с этой тайной.

А вы как думаете? Кажется ли вам время более реальным от осознания, что оно может возникать из хаоса, или это делает его ещё более иллюзорным? Буду рад услышать ваши мысли.