Giovanni Barontini z Uniwersytetu Birmingham zbudował laboratoryjny model „mini-wszechświata” z ultrazimnych atomów rubidu. W tym układzie upływ czasu nie jest odmierzany przez zewnętrzny zegar, lecz wynika ze zmian zachodzących wewnątrz samego systemu.
Eksperyment opisano w „Physical Review Research”. Barontini schłodził około 24 tys. atomów rubidu do temperatury zaledwie kilku miliardowych części stopnia powyżej zera bezwzględnego. W takich warunkach atomy tworzą wspólną kwantową chmurę, którą można kontrolować światłem laserowym.
Fizyk podzielił chmurę na dwie części za pomocą laserowej bariery. Jedna była obserwowana i została nazwana sektorem jasnym. Druga pozostała ukryta jako sektor ciemny. Atomy mogły przechodzić przez barierę w obie strony, a ich ruch stał się wewnętrzną miarą zmian.
Obserwowany sektor zachowywał się jak bardzo uproszczony kosmos. Rozszerzał się, osiągał maksimum, a potem kurczył się i zapadał. Cały cykl trwał około jednej dziesiątej sekundy. Badacze porównują go do miniaturowego Wielkiego Wybuchu i Wielkiego Kolapsu, choć chodzi o laboratoryjny analog, a nie prawdziwy wszechświat.
Kluczowe było śledzenie rozkładu atomów. Gdy zmieniał się sektor jasny, pojawiał się własny kierunek czasu. Gdy wymiana między sektorami zanikała, czas entropiczny zwalniał, a przy braku zmian zatrzymywał się. Zewnętrzny mechanizm odmierzający sekundy nie był potrzebny.
Barontini nazwał tę wielkość czasem entropicznym. W eksperymencie płynął on w jednym kierunku, porządkował zdarzenia w cyklach rozszerzania i zapadania oraz przyspieszał albo zwalniał zależnie od tego, jak szybko entropia przepływała między dwiema częściami układu.
Eksperyment dotyka jednego z najstarszych problemów fizyki teoretycznej. W niektórych modelach grawitacji kwantowej czas nie jest podstawowym składnikiem rzeczywistości. Równania opisują wszechświat jako całość, bez zewnętrznego parametru, który wskazywałby, co dzieje się „przed”, a co „po”. Ludzie widzą jednak świat inaczej: starzeją się, pamiętają przeszłość i obserwują nieodwracalne zmiany.
Do tej pory spór o taki czas toczył się głównie na tablicach i w równaniach. Eksperyment z Birmingham przenosi go do laboratorium. Zamiast pytać wyłącznie o kosmos jako całość, można badać chmurę atomów, w której jedna część pełni rolę zegara dla drugiej.
Badanie nie rozwiązuje zagadki czasu i nie dowodzi, że wszechświat działa dokładnie tak jak chmura rubidu. Model jest celowo uproszczony. Ma jednak tę zaletę, że można go powtarzać, stroić laserową barierę i sprawdzać, jak zmienia się tempo czasu entropicznego.
Barontini pokazał też, że równanie Schrödingera można zapisać w wersji opartej na czasie entropicznym. Symulacje odtworzyły zachowanie atomów, co daje fizykom narzędzie do testowania pomysłów znanych dotąd głównie z kwantowej kosmologii i teorii grawitacji.
Laboratoryjny „mini-wszechświat” może posłużyć do badania modeli Wielkiego Kolapsu, kwantowego odbicia albo analogów czarnych dziur. W szklanej komorze w Birmingham nie ma prawdziwego kosmosu, ale jest układ, który pozwala sprawdzać, czy czas musi być tłem zdarzeń, czy może rodzić się z ich wzajemnych zmian.
Fot. University of Birmingham / Aparatura Uniwersytetu Birmingham użyta do chłodzenia atomów rubidu blisko zera bezwzględnego.
