Физики создали мини-вселенную из 24 тысяч атомов: время в ней возникло само, без часов

Мы привыкли считать, что время течёт независимо от того, что происходит вокруг. Секунды идут, планеты вращаются, вселенная стареет. Но некоторые теории физики утверждают, что на фундаментальном уровне времени может не быть. Уравнение Уилера — ДеВитта, которое появляется при попытках объединить квантовую механику и гравитацию, описывает вселенную как единое неизменное квантовое состояние — без часов вне системы.

Тогда возникает вопрос: если часов вне системы нет, как что-то может происходить в определённом порядке? Что определяет, какое событие первое, а какое второе?

Джованни Баронтини из Бирмингемского университета построил эксперимент, чтобы проверить одну из возможностей: время может возникать из изменений внутри системы. Он создал миниатюрную вселенную из примерно 24 тысяч атомов, охлаждённых почти до абсолютного нуля — до нескольких миллиардных долей градуса выше него. При таких температурах квантовые эффекты становятся особенно заметными.

Атомы поместили в изолированную квантовую систему. Два лазерных луча с разными частотами создали тонкий барьер, разделивший систему на две области: наблюдаемую, или «светлую», и ненаблюдаемую, или «тёмную». Хотя система была изолирована от внешнего мира, атомы могли перемещаться между этими областями.

Светлая область переживала повторяющиеся циклы расширения и сжатия — упрощённые аналоги Большого взрыва и возможного Большого сжатия. Эксперимент не воссоздавал реальные космические события, а служил квантовой моделью, в которой можно было проверить, как восстановить последовательность событий, не обращаясь к эталону времени вне системы.

Ключом стала энтропия — мера беспорядка в распределении частиц и энергии. Вместо секунд и минут Баронтини отслеживал время по изменениям в распределении атомов внутри мини-вселенной. Когда распределение частиц в светлой области менялось, система продолжала движение вперёд по этой внутренней мере времени. Когда распределение оставалось неизменным, ход этого конкретного времени фактически останавливался.

Баронтини назвал это энтропийным временем. Эксперимент показал, что у этой формы времени есть несколько важных свойств. Оно движется последовательно в одном направлении, устанавливая стрелу времени — различие между прошлым и будущим. Оно расставляет события в правильном порядке, даже когда мини-вселенная расширяется и сжимается. И, что удивительнее всего, энтропийное время не всегда идёт с одинаковой скоростью: его ход может ускоряться или замедляться в зависимости от того, как меняется энтропия внутри системы.

Баронтини также показал, что версию уравнения Шрёдингера — одного из основных уравнений квантовой механики — можно выразить через энтропийное время. Иными словами, внутренне генерируемая мера времени всё ещё позволяет делать предсказания о поведении квантовой системы, как и обычное время в стандартной квантовой механике.

Это не доказывает, что время — иллюзия или что у нашей вселенной нет фундаментального времени. Это демонстрирует нечто, что раньше было трудно проверить: квантовая система может иметь значимую внутреннюю меру времени, не зависящую от часов вне системы. Мини-вселенная продолжала подчиняться уравнениям квантовой физики, но предлагала другой способ описания своей эволюции.

Вопрос, который остаётся: если время может возникать из изменений внутри системы, то что именно в нашей вселенной играет роль той «светлой области», чьи изменения задают ход времени? И можно ли найти эту внутреннюю меру в реальных космологических данных — или она останется только в лаборатории?