Физик создал «мини-вселенную» в лаборатории: ученые пытаются понять, откуда берется время

Эксперимент с 24 тысячами атомов рубидия приблизил исследователей к ответу на один из самых загадочных вопросов современной физики — является ли время фундаментальной частью мироздания или оно возникает из процессов внутри самой Вселенной.

Время кажется нам самой очевидной вещью в мире. Мы просыпаемся утром, видим смену дня и ночи, наблюдаем старение живых организмов и движение небесных тел. Кажется, что время существует независимо от всего остального — как некая невидимая река, которая течет из прошлого в будущее.

Однако современная физика ставит под сомнение такую картину. На уровне элементарных частиц время ведет себя совсем не так, как в повседневной жизни. В некоторых фундаментальных уравнениях направление времени вообще не выделяется: они одинаково описывают процессы, происходящие как вперед, так и назад.

Именно эту загадку решил изучить физик Бирмингемского университета Джованни Баронтини. Он создал в лаборатории своеобразную «карманную Вселенную» — квантовую систему, в которой ученые смогли наблюдать, как может возникать внутреннее течение времени без использования обычных часов.

Вселенная размером с лабораторную установку

В эксперименте использовалось около 24 тысяч атомов рубидия. Но это были не обычные атомы: ученые охладили их до температуры, близкой к абсолютному нулю — всего на миллиардные доли градуса выше отметки, при которой прекращается практически любое тепловое движение.

При таких условиях атомы перешли в особое состояние — конденсат Бозе — Эйнштейна. В нем множество отдельных частиц начинают вести себя как единый квантовый объект. Такое состояние позволяет исследователям изучать процессы, которые невозможно наблюдать в обычном веществе.

Получившийся квантовый «мир» ученые поместили в специальную оптическую ловушку — систему лазеров, удерживающих атомное облако в заданной области пространства.

Затем исследователи разделили эту искусственную вселенную на две части с помощью лазерного барьера. Одна область оставалась открытой для наблюдения, другая выполняла роль скрытого сектора.

Атомы могли перемещаться между двумя областями, создавая постоянный обмен энергией и информацией.

Именно этот процесс стал ключом к пониманию природы времени.

Время без часов

Одна из главных идей эксперимента заключается в том, что время может быть не внешним параметром, а явлением, которое возникает внутри самой системы.

В обычной физике мы измеряем время с помощью внешнего устройства: часов, колебаний атомов или движения планет. Но что если убрать эти внешние ориентиры? Может ли система «создать» собственное время самостоятельно?

По словам Джованни Баронтини, ответ связан с энтропией — физической величиной, которая показывает степень беспорядка в системе.

Второй закон термодинамики утверждает: в замкнутой системе энтропия стремится увеличиваться. Именно это увеличение обычно связывают с направлением времени. Мы помним прошлое, но не будущее, потому что процессы во Вселенной в целом идут от более упорядоченного состояния к менее упорядоченному.

В лабораторной модели ученые наблюдали аналогичный процесс. Пока между двумя частями системы происходил обмен энтропией, появлялось внутреннее ощущение последовательности событий — своеобразное «квантовое время».

Когда обмен прекращался, исчезало и направление времени внутри модели.

Иными словами, исследование показывает: время может быть не самостоятельной сущностью, существующей независимо от материи, а результатом взаимодействия процессов внутри самой системы.

Маленький космос внутри лазеров

Особенно интересным оказался тот факт, что поведение атомов напоминало процессы, которые ученые связывают с эволюцией Вселенной.

Колебания атомного облака между двумя областями происходили циклически. Это напоминало условную модель космоса, где Вселенная проходит через стадии расширения и сжатия.

Конечно, лабораторная установка не является настоящей моделью Вселенной в буквальном смысле. В ней нет галактик, звезд или гравитации в привычном понимании. Но математически и физически некоторые процессы могут быть сопоставимы с теми, которые происходят в космологических системах.

Меняя параметры установки — форму ловушки, высоту лазерного барьера, плотность атомов и силу взаимодействия между частями системы — ученые могут создавать разные сценарии поведения.

Это открывает возможность изучать вопросы, связанные с:

• ранними этапами существования Вселенной;
• возможными сценариями космического сжатия;
• поведением материи в экстремальных условиях;
• физикой около горизонтов событий черных дыр.

Почему это важно для науки

Исследование Баронтини не означает, что ученые нашли окончательный ответ на вопрос «что такое время». Скорее, эксперимент стал еще одним шагом к пониманию того, почему Вселенная вообще имеет направление развития.

Современная физика сталкивается с серьезной проблемой: две ее главные теории — квантовая механика и общая теория относительности — описывают реальность по-разному.

Квантовая физика работает с миром микрочастиц, где привычные представления о времени могут исчезать. Теория относительности Альберта Эйнштейна, напротив, объединяет пространство и время в единую структуру — пространство-время.

Но при попытке создать единую теорию квантовой гравитации возникает главный вопрос: что происходит со временем на самом фундаментальном уровне?

Возможно, время не является первичным элементом Вселенной. Возможно, оно появляется как следствие взаимодействия огромного количества частиц — так же, как температура возникает из коллективного движения атомов.

Следующий шаг — приблизиться к тайнам Вселенной

Создание искусственных квантовых миров становится одним из самых перспективных направлений современной физики. Лабораторные системы из сверххолодных атомов позволяют ученым проверять идеи, которые раньше существовали только в математических формулах.

Работа Джованни Баронтини показывает, что даже такая фундаментальная категория, как время, может оказаться не «фоном», на котором развивается Вселенная, а частью самого процесса ее существования.

Результаты исследования опубликованы в научном журнале Physical Review Research.

Возможно, однажды подобные эксперименты помогут ответить на вопрос, который человечество задает себе тысячелетиями:

время существует само по себе — или Вселенная создает его каждое мгновение своим движением?

Ранее журналисты сайта «Пронедра» писали, что Вселенная на их стороне: четыре знака зодиака, которым астрологи обещают деньги, любовь и перемены до 10 сентября