Физик из Бирмингемского университета Джованни Баронтини создал в лаборатории миниатюрную модель вселенной, чтобы проверить необычную гипотезу. Он использовал около 24 тысяч атомов, охлаждённых почти до абсолютного нуля. В такой системе, как сообщает ScienceDaily, течение времени удалось измерить без обращения к внешним часам — оно возникало из поведения частиц внутри самого эксперимента.
Результаты работы опубликованы в журнале Physical Review Research. Они дают опытное подтверждение идеи, согласно которой время может не быть изначальным свойством реальности, а появляться из взаимосвязей и изменений, происходящих внутри вселенной. Обычно время воспринимают как равномерный поток, идущий вперёд независимо от окружающих событий, однако ряд физических теорий допускает иной взгляд на него на самом глубоком уровне.
Одна из таких теорий опирается на уравнение Уилера — Девитта, возникающее при попытках объединить квантовую механику и гравитацию. В её рамках вселенную можно описать как единое неизменное квантовое состояние, где нет внешних часов, отсчитывающих время. Отсюда возникает вопрос: если внешнего хронометра нет, чем определяется порядок событий и что задаёт, какое из них случилось раньше, а какое позже. Один из возможных ответов состоит в том, что время рождается из меняющихся отношений между разными частями вселенной, и именно это Баронтини решил проверить на практике.
Для своей модели учёный взял облако атомов, охлаждённое до нескольких миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля, где квантовые эффекты проявляются особенно сильно. Атомы удерживались в изолированной квантовой системе, разделённой двумя лазерными лучами разной частоты на две области — наблюдаемую («светлую») и ненаблюдаемую («тёмную»). Хотя система в целом была отрезана от внешнего мира, частицы могли переходить между этими зонами. Светлая область попеременно расширялась и сжималась, напоминая упрощённые аналоги Большого взрыва и Большого сжатия — гипотетического сценария, при котором расширение вселенной сменяется обратным коллапсом.
Ключом к измерению стал рост энтропии — физической величины, связанной с распределением частиц и энергии. Вместо секунд и минут Баронтини отслеживал время по тому, как меняется распределение атомов между светлой и тёмной областями. Когда разброс частиц увеличивался или уменьшался, система по этой внутренней мере продолжала движение вперёд, а когда распределение оставалось неизменным, ход такой формы времени фактически останавливался. Сам учёный назвал её «энтропийным временем»: оно последовательно движется в одном направлении, задавая так называемую стрелу времени и различие между прошлым и будущим, выстраивает события в правильном порядке и при этом может ускоряться или замедляться в зависимости от изменений энтропии.
Баронтини отметил, что в некоторых теориях, особенно в квантовой гравитации, время не заложено в устройство вселенной изначально, хотя в повседневной жизни оно течёт от прошлого к будущему. По его словам, исследование впервые даёт контролируемое экспериментальное свидетельство того, что «время» можно определять через изменения внутри системы, а не через внешние «тикающие часы». Учёный также показал, что уравнение Шрёдингера, одно из основ квантовой механики, можно записать с использованием энтропийного времени, то есть внутренняя мера времени позволяет предсказывать поведение квантовой системы так же, как обычное время. В дальнейшем подобные опыты можно усложнять, чтобы подробнее изучать модели Большого взрыва и Большого сжатия, а возможно, и отдельные аспекты чёрных дыр.