Pentru prima dată, un experiment de laborator demonstrează practic o ipoteză fascinantă: timpul ar putea să nu fie o forță universală care curge independent, ci o consecință directă a legilor din fizica cuantică. Un cercetător de la Universitatea din Birmingham a construit un „mini-univers” care reprezintă un pas înainte în găsirea răspunsului la una dintre cele mai mari întrebări ale științei: „Ce este timpul?”. Publicându-și descoperirile în jurnalul științific Physical Review Research, profesorul Giovanni Barontini arată cum scurgerea timpului poate fi măsurată fără a folosi deloc un ceas. Noile rezultate oferă un model științific în care o versiune a timpului reiese chiar din experimentul în sine.
Dacă această descoperire se confirmă la scară largă, ea ar putea oferi piesa lipsă pentru unificarea mecanicii cuantice cu teoria relativității, schimbând definitiv modul în care înțelegem realitatea.
Ce este timpul în fizica cuantică?
Unele teorii din fizică, precum ecuația Wheeler–DeWitt, sugerează că, la cel mai profund nivel, universul nu are un timp încorporat, ci există ca o singură stare cuantică neschimbătoare, în care particulele prezintă atât proprietăți ondulatorii, cât și proprietăți de particule. O astfel de perspectivă tratează Universul ca pe un întreg, fără un ceas extern, iar orice percepție a timpului trebuie să rezulte din relațiile interne dintre părțile sale.
Cum funcționează mini-universul
Pentru a-l obține, Barontini a folosit un nor de 24.000 de atomi ultra-reci — la doar câteva miliardimi de grad peste zero absolut — pentru a crea un sistem cuantic închis ermetic, care imită un „univers” simplu. Particulele au fost capturate și separate cu ajutorul unei bariere subțiri, formate din două raze laser de frecvențe diferite, astfel încât să ia naștere o regiune observată („luminoasă”) și una neobservată („întunecată”).
Sectorul „luminos” se extinde și se prăbușește în mod repetat, trecând prin ceva asemănător unui Big Bang și unui Big Crunch — un scenariu ipotetic în care expansiunea cosmosului se inversează în cele din urmă. Experimentul permite reconstituirea secvenței de evenimente chiar din interiorul mini-universului, fără nicio referință la un ceas de laborator extern.
Astfel, experimentul a demonstrat că timpul ar putea apărea din schimbările care au loc în interiorul unui sistem cuantic, mai degrabă decât să existe ca ceva extern, care ticăie independent.
În fizică, entropia reprezintă tendința inerentă a unui sistem de a trece de la ordine la o stare de dezordine, un proces ireversibil care oferă senzația că timpul curge într-o singură direcție („săgeata timpului”). Practic, „mini-universul” a arătat că „timpul” ar putea fi creat din dezordinea — sau dispersia (entropia) — atomilor și din modul în care aceștia se comportă într-un sistem. Atomii se puteau deplasa între regiunile „luminoase” și „întunecate”, însă, în rest, sistemul rămânea izolat de lumea exterioară.
Ce este „timpul entropic” și de ce curge doar înainte?
Atunci când dispersia particulelor din sectorul luminos creștea sau scădea pe măsură ce atomii intrau ori ieșeau, sistemul „avansa în timp”. Iar când această distribuție a atomilor nu se schimba, timpul se oprea, efectiv. Barontini a numit acest proces „timp entropic”, după ce a constatat că această versiune a timpului:
- curge într-o singură direcție consecventă, oferind o „săgeată a timpului” clară
- ordonează corect evenimentele, chiar și într-un sistem care se extinde și se contractă asemenea unui mini-cosmos
- accelerează sau încetinește în funcție de modul în care se mișcă entropia
„În unele teorii ale Universului, în special în gravitația cuantică, timpul nu apare ca o caracteristică încorporată. Cu toate acestea, în viața de zi cu zi, timpul curge de la trecut spre viitor — de ce se întâmplă acest lucru, când majoritatea legilor fundamentale ale fizicii funcționează în același mod atât înainte, cât și înapoi? Acest studiu oferă prima dovadă experimentală controlată că «timpul» poate fi definit prin schimbările din interiorul unui sistem, mai degrabă decât ca «ceasul care ticăie» din exterior pe care îl considerăm a fi timpul. El oferă o nouă perspectivă asupra naturii timpului în gravitația cuantică, care ar putea fi folosită pentru a descrie dinamica la fel de eficient ca timpul convențional.”, a spus Barontini.
Studiul demonstrează, de asemenea, că o versiune a ecuației principale din mecanica cuantică (Schrödinger) poate fi scrisă în continuare folosind timpul entropic, permițând predicții privind modul în care „norul de probabilitate” al unui sistem cuantic se va schimba în timp. (Ecuația lui Schrödinger este fundamentală în fizica cuantică deoarece descrie matematic felul în care starea unui sistem se modifică de-a lungul timpului)
Experimentul abordează o întrebare veche din fizică: în unele teorii ale universului nu există un ceas încorporat, așa că cum se poate stabili ce este „înainte” și ce este „după” fără un timp extern?
Barontini a arătat că sistemul respectă ecuațiile standard ale fizicii cuantice și demonstrează că întrebările profunde despre natura timpului — discutate de obicei doar în teoriile despre univers în ansamblu — pot fi testate în experimente de laborator controlate.
Experimentul oferă un cadru de testare puternic pentru ideile din cosmologia cuantică și gravitație, ceea ce înseamnă că ideile legate de universul timpuriu pot fi acum verificate experimental în laborator.
Abordarea ar putea fi extinsă la sisteme mai complexe, permițându-le potent, cercetătorilor să exploreze fizica Big Bang-ului și a „Big Crunch-ului”. De asemenea, ar putea fi folosită pentru a simula găuri negre în laborator sau pentru a testa teorii concurente despre modul în care timpul apare în Univers.
Așadar, acest univers în miniatură nu doar că demontează ideea unui „ceas cosmic” care ne dictează existența, ci deschide o ușă fascinantă pentru știință: capacitatea de a recrea și studia primele clipe de după Big Bang sau chiar mecanismele misterioase ale găurilor negre, direct pe o masă de laborator.
Ce s-a mai descoperit în Știință?
Un izotop care nu există natural pe Pământ și valorează 25,6 milioane de dolari gramul tocmai a devenit mai ușor de produs
Perlele arată a pietre prețioase, dar sunt produsul unor moluște iritate. Cum se formeaz perlele de fapt
Cercetătorii au monitorizat 12 oameni în Antarctica timp de 10 luni — ceea ce s-a întâmplat ar putea influența viitoarele misiuni pe Marte
Aproape jumătate din cazurile de demență ar putea fi legate de factori de risc ce pot fi controlați
