Pentru prima dată, un fizician a observat experimental cum timpul apare în interiorul unui sistem cuantic izolat, prin crearea unui „mini-univers”. Acest experiment neobișnuit ridică o întrebare fascinantă: dacă Universul nu are nimic în afara sa, de unde provine timpul?
Într-un nou studiu publicat pe 11 iunie în revista Physical Review Research, Giovanni Barontini, fizician experimental la Universitatea din Birmingham (Marea Britanie), a folosit un nor de atomi ultrareci pentru a construi acest mini-univers.
Sistemul era atât de bine izolat de mediul exterior încât, asemenea Universului însuși, nu avea nimic extern care să servească drept ceas. Cercetătorul a împărțit sistemul în două și a ignorat una dintre jumătăți - pe care a numit-o „sectorul întunecat” - pentru a demonstra că timpul poate apărea în întregime din interiorul sistemului.
„Timpul se accelera, încetinea sau chiar se oprea”
Rezultatul oferă prima demonstrație experimentală privind motivul pentru care Universul are timp.
„Când pui toate piesele cap la cap, lucrurile încep cu adevărat să aibă sens”, a declarat Barontini pentru Live Science. „Faptul că timpul din interiorul sistemului se accelera, încetinea sau chiar se oprea a fost cu adevărat surprinzător. Totul s-a potrivit extraordinar de bine, într-un mod foarte elegant. Iar asta nu se întâmplă prea des în experimente.”
Lucrarea reprezintă o confirmare experimentală a unor idei care circulă de zeci de ani în cosmologia cuantică și în termodinamică. Nu este o afirmație revoluționară potrivit căreia timpul ar fi o iluzie, ci prima dată când aceste concepte sunt supuse unui test direct și cantitativ în laborator.
Un Univers fără nimic în exterior
Barontini și-a propus să studieze o problemă care îi preocupă pe fizicieni de aproape 60 de ani.
Ecuația Wheeler–DeWitt - una dintre ecuațiile fundamentale ale gravitației cuantice, domeniul care încearcă să unifice teoria gravitației a lui Einstein cu mecanica cuantică - descrie Universul ca pe un sistem complet, fără un parametru temporal extern. Cu alte cuvinte, nu există un ceas cosmic care să ticăie în afara Universului. Atunci, de unde provine experiența noastră asupra timpului?
O ipoteză influentă, cunoscută drept „timp relațional”, susține că timpul nu există ca ingredient fundamental al realității. În schimb, el apare din relațiile dintre diferitele părți ale Universului, o parte a sistemului funcționând ca un ceas pentru alta. Totuși, această idee nu fusese niciodată testată direct în laborator.
Inspirația lui Barontini a venit observându-și fiul jucându-se cu piese de construcție.
„Mi-am dat seama că este foarte asemănător cu ceea ce facem noi în laboratoare”, a declarat el pentru Live Science. „Ne jucăm cu jucării foarte scumpe. Ne construim propriile mici mostre de realitate.”
În laboratorul său, această „mostră de realitate” este un condensat Bose–Einstein - o stare a materiei care apare doar la temperaturi apropiate de zero absolut. Într-un astfel de condensat, mii de atomi încetinesc aproape complet și se contopesc într-un singur obiect cuantic, comportându-se ca o singură entitate.
Partea întunecată a timpului
Pentru a reproduce un Univers fără nimic în exterior, Barontini a plasat condensatul într-o capcană și l-a împărțit în două cu ajutorul unei foi foarte subțiri de lumină laser. El a monitorizat atent una dintre jumătăți, denumită „sectorul luminos”, și a ignorat deliberat cealaltă jumătate, „sectorul întunecat”.
Atomii din sectorul luminos oscilau înainte și înapoi în interiorul capcanei, trecând periodic peste bariera dintre cele două regiuni și revenind apoi.
Barontini a numit momentele în care atomii invadau sectorul luminos „Big Bang”, iar pe cele în care îl părăseau „Big Crunch” (denumirea unei teorii privind sfârșitul Universului, conform căreia acesta se va prăbuși asupra lui însuși).
Cercetătorul a urmărit apoi modul în care entropia - o măsură a dezordinii sau a modului în care energia este distribuită într-un sistem - era transferată între cele două jumătăți pe măsură ce atomii traversau bariera.
În loc să utilizeze timpul măsurat în laborator pentru a ordona evenimentele, Barontini a construit ceea ce a numit un „timp entropic” - un ceas definit exclusiv de cantitatea de entropie care circula între cele două jumătăți ale sistemului. Dacă entropia era transferată, timpul curgea. Dacă nu exista schimb de entropie, timpul se oprea.
„Schimbul de entropie dintre cele două sisteme putea fi transformat într-o variabilă temporală internă”, a explicat Barontini.
„A fost cu adevărat surprinzător”
Ceea ce l-a surprins cel mai mult pe cercetător a fost cât de bine s-au potrivit toate observațiile. Timpul intern, bazat pe entropie, ordona în mod consecvent evenimentele din sectorul luminos. Succesiunea lor coincide cu cea observată folosind timpul din laborator, însă ritmul în care curgea era diferit.
Atunci când entropia circula intens între cele două sectoare, timpul entropic curgea rapid. Când schimbul încetinea, încetinea și ceasul. Iar atunci când cele două jumătăți ajungeau în echilibru - fără niciun transfer suplimentar de entropie - ceasul intern se oprea complet.
„Timpul se accelera, încetinea sau chiar se oprea, în funcție de ceea ce făcea sistemul”, a spus Barontini.
Apoi a mers și mai departe: folosind acest timp intern, a derivat o versiune a ecuației Schrödinger și a demonstrat că aceasta reproduce cu acuratețe rezultatele observate în experiment.
„A fost cu adevărat surprinzător cât de bine s-au potrivit toate lucrurile”, a spus el. „Totul s-a legat într-un mod foarte elegant, ceea ce nu se întâmplă prea des în experimente.”
Atât timpul în sine, cât și săgeata timpului - motivul pentru care timpul curge într-o singură direcție și nu în cealaltă - ar putea avea aceeași origine: faptul că un observator renunță la o parte din informație. Atunci când Barontini a ales să nu observe sectorul întunecat, el a renunțat la cunoașterea acelei jumătăți a sistemului. Acest act de „ignoranță”, reflectat în entropie, este cel care a făcut ca timpul să apară în cealaltă jumătate.
„Atât timpul, cât și săgeata timpului... poate că se nasc pur și simplu din ignoranță”, a afirmat Barontini. „Pentru ca timpul să existe și pentru ca noi să putem observa, trebuie să renunțăm la anumite grade de libertate.”
Abia începutul
Barontini consideră că aceasta este doar prima etapă. Același set de tehnologii bazate pe atomi ultrareci, care a permis simularea unui Big Bang și a unui Big Crunch în miniatură în laboratorul său, ar putea fi adaptat pentru a reproduce fenomene mult mai exotice, precum analogi ai găurilor negre, condițiile existente în Universul timpuriu sau chiar ceea ce s-ar întâmpla în momentul unui eventual Big Crunch.
„Acestea sunt lucruri pe care le putem realiza destul de simplu, folosind instrumentele pe care le avem deja pentru a ne proiecta sistemele experimentale”, a spus el.
Studiul reprezintă o dovadă de concept - prima demonstrație că sistemele cuantice controlate pot servi drept platforme experimentale pentru testarea unora dintre cele mai importante întrebări încă fără răspuns din fizică. Deocamdată însă, aceste întrebări rămân deschise.