Mini‑univerzum od ultrahladnih atoma meri vreme bez sata — entropija kao unutrašnji sat

U zatočenoj oblaci ultrahladnih atoma, hladnijoj od gotovo svega što postoji u prirodi, postavljeno je jednostavno ali duboko pitanje: ako univerzum nema ugrađeni sat, kako bi nešto u njemu znalo šta dolazi pre, a šta posle?

To pitanje je u središtu novog eksperimenta koji je vodio prof. Giovanni Barontini sa Univerziteta u Birminghamu. Tim je upotrebio oko 24.000 atoma rubidijuma rashlađenih na svega nekoliko milijarditih stepeni iznad apsolutne nule i napravio zatvoreni kvantni sistem — nazvan "mini‑univerzum" — koji imitira pojednostavljenu verziju kosmoloških procesa.

Giovanni Barontini, Professor of Physics, at the University of Birmingham, using the apparatus to trap and cool rubidium atoms. (CREDIT: University of Birmingham)

Eksperiment nije pokušaj da se fizički rekreira prostor, već da se u laboratoriji testira ideja iz teorijske fizike: vreme možda nije fundamentalna veličina, već emergentna, odnosno nastaje iz promena i odnosa unutar sistema.

Tim je počeo sa Bose‑Einsteinovim kondenzatom i zarobio ga u optičkoj dipolnoj zamci. Tankom barijerom od svetlosti sistem je podeljen na dva dela — "svetli" sektor, koji se posmatra, i "taman" sektor, koji ostaje neposmatran. Atomi su mogli prelaziti između dve regije, dok je ceo sistem ostao dobro izolovan od spoljnog sveta.

The ‘cloud’ inside the glass cell is a magneto-optical trap of rubidium atoms at a temperature of ~0.0001 degrees above absolute zero. It is only the first step to “build” the mini-universe. (CREDIT: University of Birmingham)

Tokom približno 100 ms, svetli sektor je ponavljano rastao i skupljao se dok su atomi prelivali preko barijere; istraživači su to opisali kao cikluse slične "velikom prasku" i "velikom kontraktu". Ova oscilacija je otežavala upotrebu nekih unutrašnjih varijabli (npr. centra mase) kao univerzalnog sata, jer takve varijable menjaju smer tokom ciklusa.

Barontini i saradnici su zato definisali vreme preko entropije: entropijsko vreme napreduje kada se menja raspodela entropije u svetlom sektoru, a zaustavlja se kad raspodela prestane da se menja. Ovaj unutrašnji merilac ima tri važne osobine:

The University of Birmingham experiment to trap and cool rubidium atoms close to absolute zero. (CREDIT: University of Birmingham)

• kreće se u jednom smeru i daje strelicu vremena,
• najbolje poredí događaje i tokom širenja i skupljanja,
• ne teče uniformno — ubrzava kada brzo raste entropija i usporava kad se razmena umanji.

Eksperimentalna procedura uključivala je snimanje sistema svaka 2 ms tokom ukupno 120 ms, pri čemu su ponavljali merenja za različite visine barijere koje su menjale protok atoma i entropije. Rezultati su pokazali da entropijsko vreme raste monotono u većini posmatranih uslova, a njegov nagib u odnosu na laboratorijsko vreme zavisi od intenziteta toka entropije — snažnija razmena znači brže entropijsko vreme, a u odsustvu razmene ono zastaje.

Zanimljivo je da po laboratorijskom satu sistem može neprekidno evoluirati, dok po unutrašnjem entropijskom satu neki intervali mogu «ne sadržati vreme» — npr. između jednog kontrakta i sledećeg praska, kada nema razmene entropije.

Experimental absorption images integrated along the y axis showing the evolution of our system as a function of the external laboratory time. The color scale indicates the integrated column density in arbitrary units. (CREDIT: Physical Review Research)

Dalje, autori pokazuju da se Schrödingerova jednačina može preformulisati koristeći entropijsko vreme umesto laboratorijskog vremena. Izvedena entropijsko‑vremenska verzija Schrödingerove jednačine za svetli sektor rešavana je numerički, i simulacije su se dobro poklopile sa merenjima — uključujući promene širine svetlog sektora tokom ciklusa.

„Ovo istraživanje pruža prve kontrolisane eksperimentalne dokaze da 'vreme' može biti definisano kroz promene unutar sistema, a ne kao spoljašnji 'otkucavajući sat' koji zamišljamo. Daje novi uvid u prirodu vremena u kvantnoj gravitaciji“, rekao je Barontini.

Rad ne tvrdi da je rešen problem vremena u fizici, ali eksperiment konkretizuje teorijske ideje (npr. one koje proizlaze iz Wheeler–DeWitt jednačine) i pokazuje kako unutrašnji posmatrač u izolovanom mnogodelnom sistemu može rekonstruisati redosled, smer i promenu. Takođe pruža eksperimentalnu platformu za ispitivanje strelice vremena i drugih kosmoloških koncepata.

Optics to deliver the lasers on the atoms. (CREDIT: University of Birmingham)

Studija je objavljena u časopisu Physical Review Research. Autori ističu da budući eksperimenti, zahvaljujući promenjivosti sistema, mogu da istraže analogije sa crnim rupama, testove reverzibilnosti, singularitete, "bouncing" kosmologije i poređenja različitih unutrašnjih satova.

Važno je naglasiti da ukoliko mini‑univerzum na stolu nije bukvalno ceo kosmos, on i dalje omogućava da neke od najdubljih ideja o vremenu, promeni i kosmičkoj istoriji budu ispitane eksperimentalno, a ne samo teorijski.