Физики создали миниатюрную Вселенную из 24 тысяч атомов, в которой время идет без часов

Физик Джованни Баронтини из Бирмингемского университета (Великобритания) создал в лаборатории квантовую систему из 24 тысяч сверххолодных атомов, которая позволила экспериментально исследовать одну из фундаментальных загадок физики: может ли время возникать в результате процессов, происходящих внутри самой системы, без каких-либо внешних часов.

Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Research. Эксперимент представляет особый интерес для квантовой космологии, изучающей поведение Вселенной в условиях, когда одновременно становятся существенными законы квантовой механики и гравитации.

Для создания модели ученый использовал около 24 тысяч атомов, охлажденных до температуры всего на несколько миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля. С помощью лазерных лучей атомное облако было разделено на две взаимодействующие области – наблюдаемую и скрытую. При этом вся система была практически изолирована от внешнего окружения.

Наблюдаемая область периодически расширялась и сжималась. Такое поведение отдаленно напоминает космологические модели Большого взрыва и Большого сжатия – гипотетического сценария, при котором расширение Вселенной сменяется ее коллапсом. Разумеется, речь идет не о настоящем воспроизведении этих процессов, а об упрощенной квантовой модели.

Главным результатом эксперимента стала возможность определять последовательность событий без обращения к внешнему времени. Вместо секунд и минут исследователь использовал изменения энтропии – величины, характеризующей распределение частиц и энергии в системе.

Оказалось, что изменения распределения атомов позволяют определить собственное внутреннее время системы. Оно сохраняет определенное направление даже при чередовании расширения и сжатия. При этом скорость течения такого времени может изменяться в зависимости от процессов, происходящих внутри атомного облака.

Баронтини назвал этот способ описания процессов "энтропийным временем". Ученому удалось показать, что с его помощью можно не только установить последовательность событий, но и описывать эволюцию квантового состояния, используя модифицированную форму уравнения Шредингера.

Исследование связано с так называемой проблемой времени в квантовой гравитации. Некоторые теоретические модели допускают, что время не является фундаментальным свойством Вселенной, а возникает из изменений и взаимодействий между ее составляющими.

При этом ученый подчеркивает, что эксперимент не доказывает иллюзорность времени и не означает, что его действительно удалось остановить. Полученные результаты свидетельствуют лишь о том, что квантовую систему можно последовательно описывать с помощью внутренней меры времени, не прибегая к внешним часам.

В перспективе подобные эксперименты могут помочь в проверке теорий квантовой гравитации и создании более сложных лабораторных моделей ранней Вселенной и черных дыр.