Деревья растут и люди стареют не из-за течения времени, а вследствие внутренних процессов. Возникает вопрос, могут ли именно эти процессы создавать само время. В эксперименте была создана миниатюрная Вселенная, в которой время появляется как результат изменений внутри системы.

Проблема времени в физике

Взаимосвязь между квантовой механикой и общей теорией относительности включает проблему времени. В теории относительности время локально и зависит от распределения материи или скорости движения объекта. Время течёт из прошлого в будущее, его стандартная единица — секунда — определяется как 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями энергии атома цезия-133.

В квантовой механике уравнение Уилера — Де Витта описывает Вселенную как единую квантовую систему без переменной времени; время не заложено в уравнении изначально и появляется в результате изменений.

Эксперимент с миниатюрной Вселенной

В эксперименте использовались 24 тысячи ультрахолодных атомов рубидия, которые образовали миниатюрную Вселенную. Было получено первое контролируемое экспериментальное подтверждение того, что время может возникать как следствие изменений в системе. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Research.

При температуре, близкой к абсолютному нулю, атомы переходят в состояние конденсата Бозе — Эйнштейна, где ведут себя как единый объект, подчиняющийся квантовым законам. Облако атомов рубидия было изолировано от внешнего мира и разделено на «тёмную» и «яркую» части с помощью лазерного излучения, создающего потенциальный барьер.

В ходе эксперимента наблюдалась «яркая» часть облака, а высота барьера между частями системы изменялась. При изменении высоты барьера атомы перемещались из тёмного сектора в яркий, затем конденсат достигал максимума и возвращался в исходное состояние. Цикл длился 120 миллисекунд, данные о системе фиксировались каждые две миллисекунды при разных высотах потенциального барьера.

Энтропия и направление времени

Последовательность событий внутри миниатюрной Вселенной удалось восстановить, используя только информацию из самой системы, без внешних данных о времени. Изменения энтропии оказались достаточными для этого.

Энтропия — мера беспорядка системы. Когда атомы перемещались из тёмного сектора в яркий, энтропия увеличивалась, а при возвращении — локально уменьшалась. Если изменений не происходило, энтропия оставалась постоянной. Изменения энтропии позволили определить направление и последовательность событий в системе, что было названо «энтропийным временем».

Энтропийное время текло в одном направлении, правильно упорядочивало события и было неравномерным: ускорялось или замедлялось в зависимости от перераспределения энтропии в системе. Это указывает на связь между временем и скоростью физических изменений.

Проверка на уравнении Шредингера

Энтропийное время было проверено на уравнении Шредингера, описывающем эволюцию квантовой системы. В рамках новой парадигмы уравнение успешно описывало эволюцию миниатюрной Вселенной из атомов рубидия.

Значение результатов

Эксперимент впервые показал, что время можно определять через внутренние изменения системы, а не как внешний параметр. Это открывает новый взгляд на природу времени в квантовой гравитации и может позволить описывать динамику столь же эффективно, как и обычное время.

Результаты могут помочь устранить противоречия между квантовой механикой и общей теорией относительности. Если удастся записать уравнения квантовой механики без использования времени как переменной, это позволит продвинуться в исследованиях квантовой гравитации. При этом отмечается, что миниатюрная Вселенная — это радикальное упрощение, которое может не отражать работу энтропийного времени в реальном мире, и результаты требуют независимой проверки.