- Giovanni Barontini, profesor la University of Birmingham, a creat un sistem cu 24.000 de atomi ultrareci pentru a testa cum poate apărea timpul fără un ceas extern
- Experimentul, publicat în Physical Review Research, folosește atomi de rubidiu răciți aproape de zero absolut și împărțiți în două regiuni: una observată și una „ascunsă”
- În zona observată, norul atomic se extinde și se contractă, ca o versiune microscopică de Big Bang și Big Crunch
- Cercetătorul arată că evenimentele pot fi ordonate prin entropie, adică prin felul în care particulele se distribuie și se amestecă
- Studiul nu demonstrează că universul real funcționează exact așa, dar oferă un test de laborator pentru idei din fizică cuantică și cosmologie
Un fizician de la University of Birmingham a construit un „mini-univers” în laborator ca să testeze una dintre cele mai vechi și mai enervant de simple întrebări din știință: ce este timpul, dacă nu ai un ceas cu care să-l măsori?
Profesorul Giovanni Barontini a folosit 24.000 de atomi de rubidiu răciți aproape de zero absolut, adică în zona în care materia începe să se comporte mai puțin ca o mulțime de bile microscopice și mai mult ca o undă colectivă. Acolo, în frigul acela extrem în care până și cafeaua imaginară ar îngheța înainte să fie turnată, atomii pot fi controlați suficient de precis pentru a simula un sistem cuantic aproape izolat.
Experimentul a fost publicat în Physical Review Research și pornește de la o idee foarte serioasă, ambalată într-o imagine aproape comică: dacă universul nu ar avea un ceas extern, cum ar ști ceva din interiorul lui ce vine înainte și ce vine după?
În laborator, Barontini a împărțit norul de atomi în două regiuni, folosind o barieră creată cu fascicule laser. Una dintre regiuni a fost observată, numită „bright”, iar cealaltă a rămas neobservată, numită „dark”. Atomii puteau trece între ele, dar sistemul era gândit ca un fel de cosmos la scară redusă: închis, controlat și suficient de simplu încât să poți urmări ce se întâmplă fără să aduci mereu ceasul laboratorului în discuție.
Regiunea „bright” se extindea și se contracta repetat.
Cercetătorii au comparat aceste mișcări cu un mini univers care trece prin ceva asemănător unui Big Bang și unui Big Crunch. Nu este o explozie cosmică într-un borcan, ci o analogie fizică: o machetă a unei probleme mari, construită din particule foarte reci și lasere foarte precise.
Timpul entropic apare când sistemul se schimbă din interior
Miza experimentului nu este să înlocuiască ceasul de la mână, telefonul sau alarma care te trezește prea devreme. Miza este să arate că o formă de timp entropic poate apărea din schimbările interne ale unui sistem cuantic.
Entropia este adesea descrisă ca „dezordine”, dar aici e mai util să o privim ca pe felul în care particulele se distribuie și se împrăștie. Când atomii trec între regiunea observată și cea neobservată, distribuția lor se schimbă. Iar acea schimbare poate fi folosită ca reper: acesta este „înainte”, acesta este „după”.
Cu alte cuvinte, timpul nu vine dintr-un ceas așezat pe marginea experimentului, ca un arbitru cu fluier. Vine din felul în care sistemul se reorganizează. Când distribuția atomilor se schimbă, timpul entropic curge. Când distribuția nu se mai schimbă, timpul intern al sistemului stă pe loc. Nu pentru că cineva a apăsat pauză pe telecomanda universului, ci pentru că nu mai există o schimbare internă care să ordoneze evenimentele.
Asta face experimentul interesant pentru fizică cuantică. În unele teorii despre univers, mai ales în zona gravitației cuantice, timpul nu apare ca o piesă fundamentală a realității. Ecuația Wheeler-DeWitt, de exemplu, descrie universul ca pe un întreg fără un ceas extern. Dacă nu există nimic în afara universului care să-i țină cronologia, atunci timpul trebuie să apară din relațiile dintre părțile lui.
Barontini a testat tocmai această idee într-un sistem controlat. A arătat că dinamica regiunii observate poate fi ordonată folosind doar informații interne. Mai mult, studiul susține că o versiune a ecuației Schrödinger, ecuația de bază a mecanicii cuantice, poate fi formulată folosind acest timp entropic.
Sună abstract, dar ideea de bază e surprinzător de intuitivă: dacă totul din jurul tău ar fi înghețat perfect, fără nicio schimbare, ai mai putea spune că timpul trece? În viața obișnuită, răspunsul îl dă ceasul. În mini-universul de la Birmingham, răspunsul îl dau atomii.
De ce un mini-univers nu înseamnă că Birmingham a inventat cosmosul
E important să păstrăm proporțiile. Barontini nu a creat un univers real, nu a pus Big Bang-ul într-o cutie și nu a găsit butonul de reset al cosmosului. A creat un model experimental, adică un sistem care reproduce anumite proprietăți matematice și fizice ale unei probleme cosmologice.
Este diferența dintre un simulator de zbor și un avion. Simulatorul nu te duce la Paris, dar poate testa situații pe care nu vrei să le încerci cu 200 de pasageri la bord. La fel, un nor de atomi ultrareci nu este cosmosul, dar poate testa idei despre spațiu, timp și ordine cauzală într-un mediu unde cercetătorii controlează aproape tot.
Experimentul este util mai ales pentru că unele întrebări despre univers sunt imposibil de testat direct. Nu putem derula universul înapoi înainte de Big Bang. Nu putem scoate timpul din priză și vedea ce se întâmplă. Nu putem pune o gaură neagră pe masa de laborator lângă laptop și un pahar cu apă. Dar putem construi sisteme analogice care respectă părți din aceeași logică matematică.
Aici intră în scenă entropia. În viața de zi cu zi, ea explică de ce lucrurile par să meargă într-o singură direcție. O cană spartă nu se adună singură la loc pe masă. Laptele amestecat în cafea nu se separă politicos înapoi în două straturi. Dezordinea crește, iar noi numim această direcție „săgeata timpului”.
În mini-universul atomic, această săgeată nu este impusă de un ceas extern. Ea apare din redistribuirea particulelor.
Tocmai de aceea experimentul e relevant pentru întrebările mari din cercetare: poate timpul să fie ceva emergent, nu fundamental? Poate „înainte” și „după” să apară din relațiile interne ale unui sistem?
Răspunsul studiului este prudent: în acest model, da. Răspunsul pentru universul real rămâne deschis.
Experimentul deschide o cale pentru testarea cosmologiei în laborator
Valoarea studiului stă în faptul că aduce o problemă de cosmologie cuantică în laborator. De obicei, discuțiile despre începutul universului, gravitație cuantică și natura timpului trăiesc în ecuații, conferințe și dezbateri unde tabla se umple repede, iar publicul normal începe să caute ieșirea. Barontini arată că măcar o parte din aceste idei pot fi testate cu atomi reci.
Această abordare ar putea fi extinsă la sisteme mai complexe. Cercetătorii ar putea folosi experimente similare pentru a simula etape ale Big Bang-ului, scenarii de Big Crunch sau chiar fenomene asociate găurilor negre. Nu în sensul că vor construi o gaură neagră în laborator, ceea ce ar fi o idee proastă pentru vecini, ci în sensul că pot reproduce analogii controlabile ale unor procese greu de observat direct.
Într-o perioadă în care tehnologia promite să măsoare, să simuleze și să optimizeze aproape orice, experimentul acesta merge într-o direcție mai profundă: nu măsoară timpul cu un instrument mai bun, ci întreabă dacă timpul poate fi definit fără instrument.
Este și o lecție bună despre cum trebuie citite știrile de studiu științific. Titlul „mini-univers” sună spectaculos, dar realitatea este mai interesantă decât exagerarea. Nu avem un univers de buzunar. Avem un sistem cuantic controlat care arată că timpul poate fi reconstruit din schimbări interne.
Pentru publicul larg, cea mai frumoasă idee este aceasta: timpul, pe care îl tratăm ca pe decorul fix al existenței, ar putea fi în unele teorii mai degrabă rezultatul mișcării interne a lumii. Nu scena pe care joacă actorii, ci ceva care apare pentru că actorii se mișcă.
Ceasurile rămân utile pentru trenuri, deadline-uri și cuptorul cu microunde. Dar dacă întrebarea este „de unde vine timpul?”, mini-universul de la Birmingham oferă un răspuns elegant: uită-te la schimbare, urmărește entropia, iar ticăitul începe să apară singur.