Игрушечная вселенная показывает, что время может быть квантовой иллюзией

Фото из открытых источников

Течение времени может быть всего лишь иллюзией, возникающей из квантовых взаимодействий между различными частями Вселенной — по крайней мере, это верно для игрушечной модели космоса. Эксперимент может дать подсказки о природе времени в нашей собственной Вселенной. Новое исследование было опубликовано в журнале Physical Review Research.

Джованни Баронтини из Бирмингемского университета (Великобритания) начал размышлять о времени, наблюдая за игрой своего 6-летнего сына. «Он строил свою собственную маленькую вселенную, и я подумал, что это примерно то же самое, что мы делаем в наших лабораториях, когда строим систему из ультрахолодных атомов», — говорит он. «Но потом я начал думать, что это также довольно скучная вселенная, потому что там мало что происходит, и если ничего не происходит, то это как если бы время не шло».

Чтобы исследовать, действительно ли время является иллюзией в таких системах, Баронтини использовал лазеры и электромагнитные силы для охлаждения около 20 000 атомов рубидия до температур, близких к абсолютному нулю. Он разделил атомы этой игрушечной вселенной на два сектора, один из которых был обозначен как «светлый», а другой как «темный», по аналогии с темной материей.

Эта первоначальная вселенная была по сути вневременной и неизменной, но затем Баронтини использовал лазеры, чтобы заставить два сектора обмениваться атомами и, таким образом, взаимодействовать на квантовом уровне. Это изменило энтропию, или беспорядок, вселенной, а мы знаем, что в нашей вселенной время течет в направлении увеличения энтропии. Следовательно, Баронтини смог определить внутреннее время для игрушечной вселенной. Более того, он смог использовать это новое время в уравнении Шрёдингера, которое описывает эволюцию квантовых систем, для расчета квантовых состояний атомов, обнаружив, что оно совпадает с результатами эксперимента.

Существует прецедент для такого взгляда на время как на нечто, возникающее из квантовых корреляций или взаимодействий, а не являющееся данностью: в атомной физике эта идея впервые была выдвинута физиком Невиллом Моттом в 1930-х годах и с тех пор теоретически исследуется. Лишь в 2013 году Марко Дженовезе из Национального метрологического института Италии и его коллеги представили первое доказательство её осуществимости в эксперименте с запутанными частицами света. Здесь также ощущение времени возникло из квантовых корреляций.

«Настоящая работа развивает эту идею, демонстрируя значительный прогресс», — говорит Дженовезе. В частности, вселенная холодных атомов сложнее, чем вселенная, созданная с использованием света, и Баронтини смог заставить уравнение Шрёдингера работать с внутренним временем системы, чего раньше не удавалось.

Клаус Кифер из Кёльнского университета (Германия) говорит, что этот эксперимент с игрушечной вселенной связан с более масштабной проблемой объединения теории гравитации и квантовой теории в единую систему, применимую к нашей Вселенной на всех масштабах. Этот вопрос остается открытым, но некоторые физики предполагают, что такая теория будет характеризоваться отсутствием времени на самом фундаментальном уровне, говорит он. Новый эксперимент имитирует эту ситуацию, но Кифер говорит, что есть и различия – например, когда ультрахолодные атомы перемещаются между секторами, они не взаимодействуют сложным образом, который ожидается в более крупной Вселенной.

Однако Карло Ровелли из Университета Экс-Марселя (Франция) говорит, что подобные эксперименты не могут открыть что-то новое о времени, поскольку они построены на физике, которую мы уже понимаем. Тем не менее, их имитация в контексте больших открытых проблем может дать вдохновение для подхода к изучению неизвестной физики, подобно печально известной неуловимой проблеме квантовой гравитации, говорит он.

Для Баронтини новое исследование является экспериментальным подтверждением идей, существовавших давно, и, следовательно, демонстрацией того, что они не совсем бесспорны. Но это не подтверждение того, что время действительно работает так во всех масштабах, говорит он.

Космологи, изучающие всю Вселенную, а не созданные в лаборатории игрушечные модели, вероятно, будут возражать против этой работы, говорит Баронтини. Тем не менее, он хочет продолжить исследование ультрахолодной минивселенной, например, используя лазеры для создания областей, из которых атомы не могут удалиться, подобно притяжению черной дыры.