Ученые впервые измерили время в квантовой системе без часов: 24 000 атомов раскрыли тайну его возникновения

Модель на ультрахолодных атомах продемонстрировала циклы расширения и сжатия, сопоставимые с концепциями Большого взрыва и Большого сжатия

Профессор Джованни Баронтни из Бирмингемского университета разработал экспериментальную систему, которую он называет «мини-Вселенной», чтобы проверить основополагающую идею о сущности времени.

Исследование основывается на теоретических подходах квантовой гравитации, включая уравнение Уилера–ДеВитта, в которых время не является первичной величиной: Вселенная рассматривается как единое квантовое состояние без внешнего временного источника, а восприятие времени должно возникать из внутренних взаимосвязей между подсистемами.

Экспериментальная установка состояла из облака из 24 000 ультрахолодных атомов — всего на несколько миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля. Эта «мини-Вселенная» была изолирована от внешней среды и разделена тонким барьером, созданным двумя лазерными лучами с различными частотами. Он формировал две области: «яркую» (наблюдаемую) и «тёмную» (ненаблюдаемую).

В «ярком» секторе атомы демонстрировали циклические процессы расширения и сжатия, напоминающие сценарии «Большого взрыва» и «Большого сжатия» (Big Bang и Big Crunch). Последовательность этих изменений удалось восстановить исключительно на основе внутренней динамики системы — без применения внешних часов.

Основной результат заключается в том, что течение времени в такой системе можно связать не с внешним отсчётом, а с увеличением или изменением беспорядка (энтропии) распределения атомов. Баронтни обозначил это как «энтропийное время».

В данной модели, когда распределение атомов в «яркой» области изменяется (частицы перераспределяются между областями), система «продвигается вперёд во времени». Если распределение остаётся неизменным, то эволюция системы фактически приостанавливается.

Баронтни подчеркивает: «В некоторых теориях Вселенной, особенно в квантовой гравитации, время не является встроенной величиной. Однако в повседневной жизни оно течёт от прошлого к будущему — почему так происходит, если фундаментальные законы обратимы?»

Он акцентирует внимание на том, что эксперимент предоставляет первое контролируемое экспериментальное подтверждение того, что «время» может определяться изменениями внутри системы, а не внешним отсчётом. В рамках этого подхода также удаётся записать уравнение Шрёдингера так, чтобы эволюция квантовой системы описывалась через энтропийное время и сохраняла предсказательную силу для вероятностного «облака» состояний.

Данный эксперимент решает ключевую проблему ряда моделей квантовой космологии: как установить порядок событий («до» и «после») в теории, где внешний параметр времени отсутствует. «Мини-Вселенная» демонстрирует, что стандартные уравнения квантовой механики остаются применимыми даже при таком определении времени.

Работа показывает, что подобные системы могут служить лабораторной платформой для проверки моделей ранней Вселенной, а также для изучения процессов, связанных с квантовой гравитацией. В будущем это может позволить моделировать более сложные космологические сценарии, включая физику Большого взрыва, Большого сжатия и создавать модели чёрных дыр.