Aidas Užkuraitis
Unikalus kvantinės fizikos eksperimentas – „mini visata“ laboratorijoje
Giovanni Barontini, Birmingamo universiteto fizikas, sukūrė itin izoliuotą kvantinę sistemą, kurioje laiką galima matuoti be jokio išorinio laikrodžio. Eksperimente panaudotas maždaug 24 tūkstančių ultr šaltų atomų debesis, atvėsintas iki temperatūros, vos kelios milijardinės laipsnio dalys virš absoliutaus nulio. Tokia sistema beveik visiškai atsieta nuo aplinkos, todėl joje nėra tradicinio laiko matavimo įrenginio.
Šis eksperimentas skirtas ištirti, ar laikas gali būti ne įprasta išorinė visatos savybė, o iškilti iš pačios sistemos vidinių dalių tarpusavio sąveikų ir informacijos mainų. Tai leidžia gilintis į vadinamąją „laiko problemą“ kvantinėje gravitacijoje, kuri kyla bandant aprašyti visatą kaip vieningą kvantinę sistemą be išorinio laiko parametro.
Sistema padalinta į „šviesųjį“ ir „tamsųjį“ sektorius
Barontini savo kvantinę sistemą padalijo į du sektorius: stebimą „šviesųjį“ ir nestebimą „tamsųjį“. Abi dalys buvo susietos, o atomai galėjo migruoti tarp jų, tačiau visa sistema liko izoliuota nuo išorinio pasaulio. Šis padalijimas leido išbandyti, ar laikas gali atsirasti iš informacijos, kurios stebėtojas neturi, ir kaip entropija tarp šių sektorių veikia vidinį laiko tekėjimą.
„Šviesusis“ sektorius eksperimentuose demonstravo ciklus, panašius į kosmologinius plėtimosi ir susitraukimo procesus, kurie primena Didžiojo sprogimo ir Didžiojo susitraukimo modelius. Nors tai nėra tiesioginis visatos atkūrimas, toks analoginis modelis suteikia galimybę tirti sudėtingas kosmologines idėjas mažoje, kontroliuojamoje kvantinėje aplinkoje.
Entropija kaip laiko kilmės pagrindas
Vienas svarbiausių eksperimento atradimų – laiko sąsaja su entropijos pasikeitimais tarp „šviesiojo“ ir „tamsiojo“ sektorių. Kai tarp šių dalių vyko entropijos kaita, vidinis laikas „tiksėjo“ – įvykių seka galėjo būti aiškiai nustatyta. Priešingai, kai entropijos mainai sulėtėdavo arba sustodavo, laikas sistemos viduje taip pat lėtėjo arba praktiškai sustodavo.
Šį reiškinį Barontini pavadino entropiniu laiku. Jis pasiūlė, kad laiko kryptis ir greitis gali kilti iš informacijos praradimo ar nežinomybės, kai viena sistemos dalis sąmoningai nebeprieinama stebėtojui. Šis požiūris leidžia laiko sampratą suprasti ne kaip išorinį, fiksuotą parametrą, o kaip vidinį sistemos procesą, susijusį su entropijos dinamika.
Vidinis laikas ir kvantinės dinamikos atstatymas
Eksperimento metu vidinis laikas nebuvo vien abstrakti sąvoka – jis leido tiksliai atkurti kvantinės sistemos dinamiką, naudojant Schrödingerio lygties versiją, suderintą su entropijos pokyčiais. Tai reiškia, kad laikas veikia kaip realus skaičiavimo parametras, leidžiantis nuosekliai aprašyti matomus sistemos pokyčius be išorinio laiko matavimo.
Šis rezultatas suteikia eksperimentinį pagrindą teorijoms, kurios iki šiol dažniausiai buvo nagrinėjamos tik matematiškai kvantinės kosmologijos ir gravitacijos kontekste. Tokiu būdu šaltų atomų platformos tampa vertinga priemone tirti vidinio laiko ir entropijos rodyklės idėjas bei jų ryšį su visatos evoliucija.
Laiko problema kvantinėje gravitacijoje
Vienas pagrindinių šio tyrimo kontekstų – Wheelerio–DeWitto lygtis, kuri aprašo visatą kaip kvantinę sistemą be išorinio laiko parametro. Tokiu atveju kyla klausimas, kaip atsiranda laikas ir jo kryptis, jei visata neturi „už jos ribų“ esančio laikrodžio. Barontini eksperimentas parodo, kad laikas gali būti reliacinis – jis kyla iš santykių tarp sistemos dalių, kur viena dalis veikia kaip laikrodis kitai.
Šis požiūris keičia tradicinį laiko supratimą, kuris dažnai laikomas fiksuotu fonu, kuriame vyksta įvykiai. Vietoje to laikas tampa dinamišku, vidiniu sistemos parametru, susijusiu su informacijos pasiskirstymu ir entropijos pokyčiais.
Tyrimo reikšmė ir ateities perspektyvos
Barontini eksperimentas nėra teiginys, kad laikas neegzistuoja ar yra iliuzija. Jis rodo, kad tam tikrose kvantinės fizikos teorijose laikas gali nebūti išorinė, iš anksto duota koordinatė, o atsirasti iš pačios sistemos vidaus. Tai svarbus žingsnis, leidžiantis eksperimentaliai tirti fundamentalius klausimus apie laiko prigimtį ir jo kilmę.
Šaltų atomų platformos suteikia galimybę valdyti ir stebėti sudėtingas kvantines sistemas, todėl ateityje jos galėtų būti naudojamos analogiškiems Didžiojo sprogimo, Didžiojo susitraukimo ar net laboratorinių juodųjų skylių modeliams tirti. Be to, toks eksperimentas gali padėti išspręsti vidinių laikrodžių pasirinkimo problemą kvantinėje kosmologijoje, kai nėra aišku, kuri sistemos dalis turėtų būti laikoma laiko matu.
Eksperimento ribos ir tolimesni tyrimai
Šis tyrimas žymi pradžią, o ne galutinį atsakymą į laiko kilmės problemą. Tolimesni žingsniai apims sudėtingesnių ir arčiau tikros kosmologijos esančių sistemų tyrimą, siekiant patikrinti, ar vidinio laiko principas išlieka ir platesniuose kontekstuose.
Taip pat svarbu pažymėti, kad nors laboratorijoje egzistuoja išorinis laikas, kuris naudojamas eksperimentų fone, pačios izoliuotos sistemos viduje sukurtas vidinis laiko aprašymas leidžia valdyti įvykių seką nepriklausomai nuo išorinio laikrodžio. Tai atveria naujas galimybes eksperimentuoti su fundamentaliomis laiko savybėmis ir jų ryšiu su kvantine fizika bei kosmologija.
