«Апостериори»: Физики проверили идею о том, что время может быть не фундаментальной величиной
Новости науки и технологий
Поддержите «Эхо», если вы не в России
Исследователи из Университета Бирмингема создали квантовую систему, в которой вместо внешнего времени использовались внутренние процессы. Эксперимент стал первым количественным тестом одной из идей, связанных с так называемой проблемой времени в квантовой гравитации.
В современной физике время считается фундаментальным параметром. В уравнениях Ньютона, квантовой механики и теории относительности оно задаётся заранее и используется для описания изменений системы. Однако в некоторых подходах к квантовой гравитации возникает серьёзная проблема: в уравнении Уилера–ДеВитта, описывающем квантовое состояние Вселенной, отдельного параметра времени нет. Это приводит к вопросу: если вся Вселенная является замкнутой системой, что тогда определяет её эволюцию?
Одно из возможных решений предполагает, что время не является внешней величиной, а возникает из отношений между частями системы. В таком случае одна часть системы может играть роль «часов», а другая – объекта, за изменениями которого эти часы «наблюдают».
Чтобы проверить эту идею экспериментально, учёные использовали конденсат Бозе–Эйнштейна – облако примерно из 24 тысяч атомов рубидия-87, охлаждённых до состояния, в котором они ведут себя как единая квантовая система. Атомы находились в оптической ловушке, разделённой тонким световым барьером на две части: наблюдаемую – bright sector – и ненаблюдаемую – dark sector. При этом вся система оставалась практически изолированной и за время эксперимента не испытывала заметных потерь энергии или частиц.
Авторы рассматривали эту систему как упрощённую модель Вселенной. Наблюдаемая часть расширялась, достигала максимального размера, а затем сжималась обратно – подобно модели Вселенной с большим взрывом и большим сжатием. Обмен атомами между двумя секторами приводил к изменению энтропии наблюдаемой части, и именно это изменение использовали для построения нового параметра времени.
Созданное учёными энтропийное время основывалось не на внешних часах, а на изменении внутреннего состояния системы. После этого исследователи перестроили результаты эксперимента, используя этот параметр вместо обычного лабораторного времени. Оказалось, что такое время способно правильно упорядочивать события: оно практически монотонно возрастало и сохраняло направление эволюции системы.
Интересно, что скорость такого времени зависела от обмена энтропией. Когда между двумя частями системы происходил активный обмен, внутреннее время текло быстрее. Когда обмен прекращался, энтропийное время останавливалось, хотя по внешним лабораторным часам система продолжала существовать.
Кроме того, исследователи вывели аналог уравнения Шрёдингера, в котором роль времени выполнял новый энтропийный параметр, и показали, что такое описание способно воспроизвести наблюдаемую динамику атомного конденсата.
Полученные результаты не означают, что время является следствием энтропии. Однако новая работа впервые позволила экспериментально проверить, можно ли построить полноценное описание квантовой системы без внешнего времени – используя только внутренние процессы самой системы. Авторы отмечают, что подобные системы в будущем могут использоваться для изучения других вопросов, связанных с природой времени, квантовыми аналогами чёрных дыр и моделями ранней Вселенной.