Fyzik postavil v laboratóriu minivesmír z 24-tisíc atómov. Čas sa v ňom zrýchľoval, spomaľoval a napokon zastavil
Fyzik vytvoril minivesmír z 24-tisíc ultrachladných atómov a ukázal, že čas možno merať aj bez vonkajších hodín, iba podľa zmien v systéme.
Čas vnímame ako niečo samozrejmé. Minulosť zostáva za nami, prítomnosť práve prebieha a budúcnosť ešte len príde. Keď sa však fyzici pokúšajú opísať celý vesmír pomocou Wheelerovej–DeWittovej rovnice, čas v nej vôbec nevystupuje.
Táto rovnica patrí ku kvantovej gravitácii, teda k snahe spojiť kvantovú fyziku s Einsteinovým opisom gravitácie. Vesmír berie ako jeden uzavretý celok. Nad ním už netikajú žiadne ďalšie hodiny, podľa ktorých by sa udalosti radili za sebou. Čas preto musí vzniknúť zvnútra, zo zmien medzi jednotlivými časťami systému.
Profesor Giovanni Barontini z Univerzity v Birminghame túto myšlienku preveril v laboratóriu. Vytvoril izolovaný systém z ultrachladných atómov, ktorý označil za „minivesmír“, a skúmal, či sa dá jeho vývoj opísať bez vonkajších hodín. Výsledky publikoval v časopise Physical Review Research.
Vedci zavreli 24-tisíc atómov do vlastného „vesmíru“
Barontini pracoval s približne 24 000 atómami rubídia-87. Ochladil ich na teplotu len niekoľko miliardtín stupňa nad absolútnou nulou. Pri takej teplote sa ich bežný tepelný pohyb výrazne utlmí a atómy vytvoria Boseho–Einsteinov kondenzát.
Zjednodušene povedané, tisíce atómov sa začnú správať ako jeden spoločný kvantový oblak. Vedci tak nemusia sledovať každú časticu zvlášť, ale môžu celý kondenzát opisovať ako jeden celok.
Neprehliadni
Oblak sa pohyboval v pasci vytvorenej laserovými lúčmi. Počas približne 100 milisekúnd vedci nezaznamenali merateľnú stratu častíc ani energie. Na čas potrebný pre experiment sa preto systém správal takmer ako dokonale uzavretý svet.
Ďalší laser vytvoril tenkú bariéru, ktorá pascu rozdelila na dve oblasti. Jednu vedci pozorovali a nazvali ju „svetlý“ sektor. Druhá zostávala nepozorovaná a predstavovala „temný“ sektor. Atómy mohli cez bariéru prechádzať oboma smermi.
Keď začali vstupovať do svetlého sektora, výskumník tento okamih prirovnal k Veľkému tresku. Atómový oblak rástol, dosiahol najväčšiu veľkosť a potom sa opäť stiahol. Keď sa častice vrátili za bariéru, prišiel Big Crunch, teda Veľký kolaps.
V laboratóriu, samozrejme, nevznikol skutočný vesmír. Pohyb atómov však matematicky pripomínal jednoduchý kozmos, ktorý sa najprv rozpína a potom znovu skolabuje.
Čas sa rozbehol až vtedy, keď si oba sektory začali vymieňať entropiu
Vedci teraz potrebovali zoradiť jednotlivé udalosti bez toho, aby sa pozerali na laboratórne stopky. Barontini na to využil entropiu svetlého sektora.
Entropia sa často vysvetľuje ako miera neusporiadanosti. V tomto experimente však bolo dôležitejšie sledovať, ako sa menila, keď atómy prechádzali medzi dvoma časťami systému.
Počas 120 milisekúnd vytváral tím snímku kondenzátu každé dve milisekundy. Z jednotlivých záberov určil počet atómov vo svetlom sektore, polohu stredu oblaku, jeho šírku aj entropiu pripadajúcu na jednu časticu.
Entropia na jeden atóm zostávala približne rovnaká. Celková entropia svetlého sektora preto závisela najmä od toho, koľko atómov sa v ňom práve nachádzalo. Keď častice prešli cez bariéru, spolu s nimi sa medzi oboma sektormi presúvala aj entropia.
Samotný počet atómov však nestačil. Barontini spojil zmenu entropie s pohybom stredu atómového oblaku. Ten v modeli fungoval ako ručička vnútorných hodín. Čas teda určoval vzťah medzi dvoma zmenami, ktoré prebiehali priamo vnútri minivesmíru.
Tak vznikol entropický čas. Keď medzi svetlým a temným sektorom prúdila entropia, vnútorné hodiny sa posúvali. Pri rýchlejšej výmene bežali rýchlejšie. Keď sa presun entropie zastavil, prestali sa posúvať aj tieto hodiny.
Bežný čas v laboratóriu, samozrejme, pokračoval. Prístroje pracovali a atómy zostávali v pasci. Zastavil sa iba vnútorný ukazovateľ vytvorený zo zmien v systéme.
Entropia nezmizla. Len sa presúvala medzi dvoma sektormi
Entropia celého minivesmíru, teda oboch sektorov dohromady, zostávala v rámci presnosti merania rovnaká. Nepribúdala, iba sa presúvala z jednej časti do druhej.
Šíp času preto nevznikol podľa jednoduchého pravidla „čím viac chaosu, tým neskorší okamih“. Entropia svetlého sektora mohla rásť aj klesať podľa toho, či doň atómy prichádzali alebo ho opúšťali. Vnútorný čas napriek tomu dokázal udalosti zoradiť prevažne jedným smerom.
Pri nízkej laserovej bariére si oba sektory ľahko vymieňali atómy. Svetlá časť opakovane prechádzala od svojho Veľkého tresku k Veľkému kolapsu. Medzi koncom jedného cyklu a začiatkom ďalšieho však podľa entropických hodín neuplynul žiadny čas. Entropia sa v tej chvíli medzi sektormi nepresúvala.
Keď vedci bariéru zvýšili, výmena atómov sa obmedzila a vnútorný čas sa spomalil. Pri najvyššom nastavení sa cyklický pohyb postupne vytratil a systém sa blížil k nemennému stavu. Autori ho prirovnali k „tepelnej smrti“. Entropické hodiny tam prestali tikať úplne.
Meranie nebolo bezchybné. V dátach sa objavilo niekoľko menších výkyvov a neistota jednotlivých bodov dosahovala približne päť percent. Hlavné udalosti sa však podarilo zoradiť správne.
Rovnica opísala vývoj systému bez vonkajších hodín
Vývoj kvantových systémov fyzici bežne počítajú pomocou Schrödingerovej rovnice. V jej časovo závislej podobe musíš do výpočtu vložiť čas, podobne ako keď pri sledovaní pohybu auta potrebuješ vedieť, koľko sekúnd uplynulo.
Barontini odvodil upravenú verziu rovnice, v ktorej laboratórny čas nahradil entropickým časom vytvoreným vnútri systému.
Rovnicu numericky vyriešil pre nastavenie s takmer nulovou bariérou. Výpočet veľmi dobre napodobnil nameranú šírku atómového oblaku aj spôsob, akým sa počas jednotlivých cyklov zväčšoval a zmenšoval.
Výsledok však nemožno automaticky použiť na každý kvantový systém. Barontini pracoval so zjednodušeným modelom a pri výpočte použil viacero aproximácií. Problém nastane aj vtedy, keď sa entropia prestane presúvať. Vnútorný čas sa zastaví a rovnica už nemá podľa čoho opisovať ďalší vývoj.
Laboratórne hodiny vedci naďalej potrebovali na fotografovanie kondenzátu a kontrolu experimentu. Výsledok však ukázal, že samotné udalosti vo svetlom sektore možno zoradiť aj pomocou času vytvoreného vnútri systému.
Od atómového oblaku k skutočnému vesmíru vedie ešte dlhá cesta
Barontiniho model sa podobá na výrazne zjednodušené modely, ktoré fyzici používajú pri skúmaní kvantového vesmíru. Namiesto nespočetného množstva hviezd, polí a častíc v nich pracujú iba s niekoľkými základnými vlastnosťami, napríklad s veľkosťou vesmíru a jeho vývojom.
Experiment nesimuloval skutočnú gravitáciu a nedokazuje, že čas v našom vesmíre naozaj vzniká z entropie. Ukázal však, že v izolovanom kvantovom systéme môže fungovať vnútorný čas vytvorený zo zmien medzi jeho jednotlivými časťami. Takýto čas sa môže zrýchľovať, spomaľovať a za určitých okolností sa prestane posúvať.
„Čas možno definovať zmenami vnútri systému, nie vonkajším tikaním hodín,“ vysvetľuje Barontini.
Jeho minivesmír teda nepotreboval hodinky na stene. Stačilo sledovať, čo sa deje medzi jeho dvoma polovicami.
