Fizičar Đovani Barontini sa Univerziteta u Birmingemu nedavno je objavio rad u kojem opisuje stvaranje svojevrsnog „minijaturnog univerzuma” u laboratorijskim uslovima. Cilj je bio da se eksperimentalno istraži jedno od najdubljih pitanja savremene fizike: da li je vreme fundamentalna komponenta stvarnosti ili može proizaći iz promena unutar samog sistema?
Rezultati, objavljeni u časopisu *Physical Review Research*, pružaju prve kontrolisane eksperimentalne dokaze da se u okviru izolovanog kvantnog sistema vreme može definisati putem unutrašnje evolucije tog sistema, bez oslanjanja na vreme mereno u spoljašnjem svetu.
Zašto vreme teče samo u jednom smeru?
U svakodnevnom životu vreme doživljavamo kao nešto sasvim prirodno. Ljudi stare, događaji se odvijaju određenim redosledom, a mi se sećamo prošlosti, ali ne i budućnosti. Razbijeno jaje se neće samo od sebe ponovo sastaviti, baš kao što se stranice iskidane iz knjige i bačene u vazduh neće spontano vratiti u pravilan redosled. Sve to ukazuje na to da vreme ima jasan smer – od prošlosti ka budućnosti.
Međutim, na fundamentalnom nivou, priroda nije tako jednostavna. Većina osnovnih fizičkih zakona – uključujući Njutnove zakone kretanja, klasičnu mehaniku i Šredingerovu jednačinu kvantne mehanike – podjednako dobro opisuje procese koji se odvijaju unapred i unazad. Snimak sudara dve bilijarske kugle može se puštati u oba smera, a njihovo kretanje – ako zanemarimo efekte poput trenja – i dalje će biti u skladu sa zakonima fizike.
Kako nastaje smer vremena?
Zašto onda u stvarnom svetu ne vidimo da se razbijeno jaje samo od sebe ponovo sastavlja? Drugim rečima, zašto vreme teče samo u jednom smeru? Najprihvaćenije objašnjenje pruža drugi zakon termodinamike, prema kojem se entropija u izolovanom sistemu povećava ili, u proseku, ostaje nepromenjena. Entropija se jednostavno opisuje kao mera nereda. Stanja sa visokim stepenom nereda mogu se ostvariti na mnogo više načina nego uređena stanja. Postoji neuporedivo više mogućih stanja za razbijeno jaje ili razbacane stranice knjige nego stanja u kojima su svi delovi vraćeni na svoja prava mesta.
Preciznije rečeno, stranice knjige od 300 strana mogu se rasporediti na 300! načina – što iznosi približno 3,06 × 10⁶¹⁴; Ovo je broj sa 615 cifara, otprilike 10⁵³⁴ puta veći od procenjenog broja atoma u vidljivom svemiru, koji iznosi oko 10⁸⁰. S druge strane, postoji samo jedan način da se knjiga rasporedi u svom izvornom obliku.
Problem vremena u modernoj fizici
Barontinijev eksperiment pokreće još dublje pitanje: ako entropija određuje smer vremena, može li se sam tok vremena definisati na osnovu nje?
Ovo pitanje je značajno jer dve najuspešnije teorije u modernoj fizici tretiraju vreme na različite načine. U Ajnštajnovoj opštoj teoriji relativnosti, vreme je deo prostor-vremena, koje se krivi pod uticajem mase i energije. Shodno tome, vreme teče sporije u jačem gravitacionom polju – na primer, u blizini crne rupe.
U kvantnoj mehanici, vreme se uglavnom javlja kao fiksni spoljašnji parametar u odnosu na koji se kvantni sistemi razvijaju. Kada fizičari pokušaju da pomire kvantnu mehaniku i opštu relativnost u jedinstvenu teoriju kvantne gravitacije, suočavaju se sa neobičnim problemom: vreme nestaje iz određenih jednačina.
Najpoznatiji primer je Viler-Devitova jednačina, koja opisuje univerzum kao jedinstven kvantni sistem bez spoljašnjeg vremenskog parametra. Ne postoji sat – niti bilo koji drugi sistem – izvan samog univerzuma prema kojem bi se mogla meriti njegova evolucija.
Jedno od mogućih rešenja ovog problema je koncept „relacionog vremena”. Prema ovoj ideji, vreme nije nezavisna pozadina na kojoj se odvijaju događaji; ono, zapravo, proizilazi iz odnosa između različitih delova sistema. Jedan deo može poslužiti kao vremenska referenca za drugi.
Kako je stvoren „minijaturni univerzum”?
U novoj studiji, Barontini je testirao ovaj koncept koristeći 24.000 atoma rubidijuma ohlađenih na svega nekoliko milijarditih delova stepena iznad apsolutne nule (-273,15 °C). Na tako niskoj temperaturi nastaje Boze-Ajnštajnov kondenzat – stanje materije u kojem se mnoštvo atoma ponaša kao jedinstven kvantni objekat.
Postavio je kondenzat u gotovo savršeno izolovanu zamku kako bi sveo na minimum razmenu energije i informacija sa spoljnim svetom, oponašajući tako jednostavan, zatvoren univerzum. Zatim ga je podelio na dva dela pomoću tanke barijere od laserske svetlosti. Posmatrao je jedan deo – nazivajući ga „svetlosnim sektorom” – dok je namerno zanemarivao drugi, koji je nazvao „tamnim sektorom”.
Cilj je bio da se pokaže kako se sled događaja može rekonstruisati bez oslanjanja na spoljašnje vreme, već isključivo na osnovu promena unutar samog sistema.
Atomi su se kretali između dva sektora, a njihov broj u svetlosnom delu ritmično je rastao i opadao. Barontini je slikovito opisao trenutke njihovog priliva u svetlosni sektor kao „Veliki prasak”, a njihovo povlačenje kao „Veliko sažimanje” (Big Crunch) – aludirajući na hipotetički kosmički scenario u kojem se širenje preokreće, a univerzum počinje da se urušava.
To ne znači da je stvorio veran model nastanka i kraja stvarnog univerzuma, već analogni sistem za testiranje matematičkih koncepata iz kvantne kosmologije.
Zašto je podela sistema bila značajna?
Kvantno stanje celokupnog izolovanog sistema razvija se u skladu sa Šredingerovom jednačinom; u ovom slučaju, dinamika je vremenski reverzibilna. Kada bi se znalo potpuno kvantno stanje sistema i zakon njegovog razvoja, bilo bi moguće – u principu – rekonstruisati prošla stanja i izračunati buduća na osnovu trenutnog stanja. Matematički obrnuti sistem mogao bi da prođe kroz ista stanja obrnutim redosledom, a da pritom ne naruši fundamentalne zakone kvantne mehanike. Kada posmatrač vidi samo jedan deo dok drugi ostaje skriven, deo informacija iz vidljivog dela postaje nedostupan jer prelazi u korelacije sa skrivenim delom. Posledica toga je pojava porasta entropije i ireverzibilnosti – odnosno strele vremena – u posmatranom sektoru.
Barontini je za portal *Live Science* izjavio da „vreme i strela vremena možda jednostavno proističu iz neznanja”. „Da bismo imali vreme i mogli da posmatramo sistem, moramo se odreći određenih stepeni slobode”, dodao je.
Šta je sa drugim zakonom termodinamike?
Ova tvrdnja dotiče fundamentalno pitanje u vezi sa drugim zakonom termodinamike. Ako su osnovne jednačine u velikoj meri vremenski simetrične, odakle potiče ireverzibilni porast entropije? Mnogi fizičari smatraju da on nastaje zato što sistem opisujemo statistički, ne pratimo svaki stepen slobode i zanemarujemo određene informacije. Barontini je nastojao da pokaže upravo taj prelaz sa reverzibilne dinamike celokupnog sistema na ireverzibilni tok vremena unutar samo jednog njegovog dela.
Vreme koje ubrzava, usporava i zaustavlja se
Barontini je pratio razmenu entropije između svetlog i tamnog sektora dok su atomi prelazili preko barijere. Na osnovu toga definisao je „entropijsko vreme”, koje nije zavisilo od laboratorijskog sata, već od unutrašnjih promena u samom sistemu.
Kako se odvijala razmena entropije, tako je teklo i unutrašnje vreme. Kada je razmena bila brža, i tok vremena je bio brži. Kada bi se ona usporila, usporavao bi se i entropijski sat. Kada bi se sektori našli u stanju ravnoteže i razmena prestala, unutrašnje vreme bi se zaustavilo. To ne znači da je fizičko vreme u laboratoriji doslovno stalo, već da je promenljiva unutrašnjeg vremena — definisana razmenom entropije — prestala da se menja.
Ovako definisano vreme ispravno je određivalo redosled događaja, iako nije uvek teklo istom brzinom kao laboratorijsko vreme.
Dokaz koncepta, a ne konačno rešenje
Ovo istraživanje predstavlja dokaz koncepta, a ne konačan odgovor na pitanje šta je vreme. Njegov značaj leži u činjenici da su teorijske ideje prvi put direktno i kvantitativno proverene u kontrolisanom laboratorijskom sistemu, kao i u tome što je promena entropije — pomoću koje je vreme definisano — uočena u izolovanom kvantnom sistemu (u kojem vreme, u načelu, ne postoji, odnosno sistem je vremenski simetričan).
Slični sistemi ultrahladnih atoma mogli bi u budućnosti poslužiti za proučavanje ranog univerzuma, Velikog praska, hipotetičkog Velikog sažimanja (Big Crunch) i određenih svojstava crnih rupa.
