Время существует только пока что-то меняется: эксперимент с мини-Вселенной

Физики спорят о природе времени уже больше полувека. Уравнения, описывающие Вселенную на самом фундаментальном уровне, не содержат времени. В них нет переменной, которая бы отсчитывала секунды или показывала направление движения. Это не философская загадка — это математическая проблема. Уравнение Уилера-Девитта, которое пытается описать Вселенную как единую квантовую систему, рассматривает космос как неизменное состояние. В нём нет часов, нет внешнего наблюдателя, который бы измерял эволюцию Вселенной извне. Если это уравнение верно, то время, которое мы ощущаем, не встроено в саму ткань реальности. Оно возникает из чего-то другого — из отношений между частями системы, из самого изменения.

Группа физиков под руководством профессора Джованни Баронтини из Бирмингемского университета решила проверить эту идею экспериментально. Они создали в лаборатории миниатюрную Вселенную — облако из 24 тысяч атомов рубидия, охлаждённых до температуры в несколько миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля. При такой температуре атомы входят в состояние, называемое конденсатом Бозе-Эйнштейна, где квантовые эффекты становятся доминирующими, и всё облако ведёт себя как единый когерентный квантовый объект.

Баронтини поместил этот конденсат в изолированную систему и разделил на две части с помощью тонкого барьера, созданного лазерными лучами. Одна часть была «наблюдаемой» областью, другая — «тёмной», скрытой. Барьер можно было регулировать, контролируя поток атомов между ними. Система была полностью изолирована от внешнего мира — никаких внешних сигналов, никаких лабораторных часов, никакой информации извне. Внутри этого миниатюрного мира Баронтини позволил атомам двигаться. Когда барьер менялся, атомы хлынули из тёмной области в наблюдаемую — это он назвал «Большим взрывом»: внезапным расширением материи. Затем конденсат достиг максимума и сжался обратно — «Большое сжатие». Весь цикл длился 120 миллисекунд, с моментальными снимками каждые две миллисекунды, и эксперимент повторялся при разных высотах барьера.

Вопрос заключался в том, можно ли восстановить последовательность событий внутри этой миниатюрной Вселенной, используя только информацию из самой системы, без внешних часов. Ответ оказался положительным. Но часы, которые сделали это возможным, — не те, что мы используем в повседневной жизни. Это энтропия.

Энтропия — мера беспорядка, того, насколько разбросаны и перемешаны компоненты системы. Когда атомы двигались из тёмной области в наблюдаемую, энтропия увеличивалась: распределение менялось, становясь более разбросанным. Когда атомы возвращались, энтропия локально уменьшалась. Когда ничего не двигалось, энтропия оставалась постоянной. Баронтини обнаружил, что изменения этой энтропийной величины могут определять направление и последовательность всех событий в миниатюрной Вселенной. Он назвал это «энтропийным временем». Когда энтропия менялась, система двигалась вперёд во времени. Когда энтропия переставала меняться, время останавливалось. События внутри миниатюрной Вселенной — от Большого взрыва до максимального расширения и Большого сжатия — могли быть правильно упорядочены, используя только эту внутреннюю меру, без внешнего ориентира.

Это исследование, опубликованное в журнале Physical Review Research, предоставляет первые контролируемые экспериментальные доказательства того, что время может быть определено изменениями внутри системы, а не внешним тиканьем часов, к которому мы привыкли.

Энтропийное время, измеренное Баронтини, обладает тремя свойствами, которые делают его реальным кандидатом на роль физического описания времени. Во-первых, оно течёт в одном направлении. Второй закон термодинамики гласит, что энтропия в изолированных системах имеет тенденцию увеличиваться с течением времени, и это даёт времени стрелу — причину, по которой прошлое отличается от будущего. В миниатюрной Вселенной энтропийное время унаследовало эту направленность естественным образом, без внешнего вмешательства.

Во-вторых, оно правильно упорядочивало события. На протяжении циклов расширения и сжатия энтропийное время помещало каждое событие в правильную последовательность относительно всех остальных. Большой взрыв предшествовал максимальному расширению. Максимальное расширение предшествовало Большому сжатию. Внутренние часы не сбивались и не переворачивали последовательность.

В-третьих, оно не было равномерным. В зависимости от того, как перераспределялась энтропия в данный момент, энтропийное время могло ускоряться или замедляться. Когда атомы двигались быстро и энтропия менялась стремительно, время бежало быстрее. Когда система приближалась к равновесию и энтропия почти не менялась, время замедлялось почти до остановки. Эта изменчивость не является ошибкой измерения. Она может отражать нечто реальное в том, как время связано со скоростью физических изменений — связь, которую философы и физики обсуждают веками.

Практическая проверка того, является ли энтропийное время действительно полезным в качестве физического описания времени, заключается в том, работают ли стандартные уравнения квантовой механики при выражении их через него. Баронтини показал, что работают. Он вывел эффективную версию уравнения Шрёдингера, центрального уравнения квантовой механики, описывающего эволюцию квантовой системы, параметризованную энтропийным временем, а не лабораторным. Эта версия уравнения успешно воспроизвела измеренную эволюцию миниатюрной Вселенной.

Этот результат важен, потому что он связывает эксперимент с более широкой проблемой квантовой гравитации. Одна из центральных проблем в построении теории, объединяющей квантовую механику и общую теорию относительности, заключается в том, что квантовой механике нужна временная переменная для описания эволюции, в то время как общая теория относительности рассматривает время как нечто, что определяется локально геометрией пространства-времени, а не как универсальный фон. Если время может возникать из энтропии без необходимости во внешних часах, то может существовать путь к записи уравнений квантовой механики в форме, не предполагающей фиксированного временного фона, что именно и требуется для теории квантовой гравитации.

Баронтини — единственный автор, работающий в одном учреждении, и в статье прямо отмечается, что результаты потребуют независимого воспроизведения и более широкого теоретического исследования. Миниатюрная Вселенная — это радикальное упрощение реальной Вселенной, содержащей 24 тысячи атомов, организованных в две области, а не невообразимо сложную многочастичную систему, которой является космос. Будет ли та же конструкция энтропийного времени работать в системе на порядки более сложной, остаётся открытым вопросом.

Эксперимент также не решает философский вопрос о том, реально ли время или является лишь полезным описанием. Но он устанавливает, что определённая математическая конструкция времени, не требующая внешних часов и опирающаяся только на внутренние изменения энтропии, может быть создана в лабораторной системе и может правильно упорядочивать события внутри этой системы. Идея, которая когда-то была ограничена уравнениями, описывающими всю Вселенную, теперь может быть проверена в контролируемых условиях в комнате в Бирмингеме.

Следующие шаги, которые исследователи обозначают, включают расширение подхода на более сложные квантовые системы и, в конечном счёте, использование аналогичных экспериментальных платформ для исследования вопросов, связанных с физикой Большого взрыва, моделированием чёрных дыр и конкурирующими теориями того, как время, а возможно, и сама Вселенная, начались.

Миниатюрная Вселенная расширялась, достигла своего предела и схлопнулась обратно в темноту за 120 миллисекунд. За это время, без каких-либо часов из внешнего мира, она создала свою собственную версию «до» и «после». Является ли это временем в полном смысле слова — вопрос для физики. Но эксперимент установил, что нечто, заслуживающее названия времени, может возникнуть из ничего, кроме того, как вещи меняются.