- 27,550
- 46
- 8 Ноя 2022
Большой взрыв и Большое сжатие на одном столе. Чтобы измерить время без часов.
Физик из Бирмингемского университета Джованни Баронтини собрал в лаборатории мини-вселенную из 24 тысяч сверххолодных атомов и проверил, можно ли измерять ход времени без часов. В опыте порядок событий возникал внутри самой квантовой системе : его задавали не секунды на внешнем приборе, а изменения в распределении частиц.
Исследование затрагивает один из самых трудных вопросов современной физики: почему человек видит движение от прошлого к будущему, если некоторые фундаментальные уравнения вообще не используют время как отдельную величину.
В повседневной жизни ход времени кажется нам очевидным и логичным. Секунды идут одна за другой, события выстраиваются в цепочку, вчера нельзя поменять местами с завтра. Но многие базовые законы физики почти одинаково работают в обе стороны. Математически процесс часто можно прокрутить вперед и назад, а направление от прошлого к будущему приходится объяснять отдельно.
Одна из главных проблем связана с уравнением Уилера-ДеВитта. В квантовой гравитации уравнение описывает Вселенную целиком, без внешнего наблюдателя и без часов за ее пределами. Космос в таком описании задается единым квантовым состоянием, а частицы могут вести себя и как волны, и как отдельные объекты. Время не добавляется в модель как независимая шкала. Последовательность событий должна возникать из связей между частями самой системы.
Баронтини перенес эту задачу из теории в лабораторию. Для эксперимента он взял облако из 24 тысяч атомов и охладил его почти до абсолютного нуля. Температура была всего на несколько миллиардных долей градуса выше предела, при котором тепловое движение частиц почти прекращается. В таком режиме атомное облако подчиняется квантовым законам особенно заметно, поэтому подходит для моделирования простой замкнутой системы.
Частицы удерживали в ловушке и разделяли тонким барьером. Преграду создали два лазерных луча с разными частотами. Внутри появились две зоны: наблюдаемая область и скрытая область. Атомы могли переходить из одной части в другую, но вся система оставалась изолированной от внешней среды. Такая схема позволяла проверить главный вопрос: можно ли восстановить порядок событий изнутри, без лабораторных часов.
Наблюдаемая область то расширялась, то сжималась. По поведению система напоминала очень упрощенный космологический цикл: сначала аналог Большого взрыва , затем аналог Большого сжатия. Большой взрыв описывает раннее расширение Вселенной, а Большое сжатие - гипотетический сценарий, при котором расширение прекращается и сменяется коллапсом. В опыте Баронтини не создавали копию настоящего космоса. Физик собрал управляемую квантовую модель, где можно проследить похожую смену состояний.
Но главная суть здесь не в расширении атомного облака, а в способе расставить события по порядку. В обычном эксперименте исследователь смотрит на часы и отмечает, когда система расширялась, когда начала сжиматься и что происходило между этими этапами. Баронтини убрал внешний отсчет времени из описания. Вместо секундомера он использовал внутренние изменения облака.
Внутренним ориентиром стала энтропия . Простыми словами, энтропия показывает, как частицы распределены по доступным состояниям и насколько сильно меняется это распределение. В мини-вселенной исследователь следил, как атомы переходят между наблюдаемой и скрытой областями. Если размещение частиц в видимой части менялось, система двигалась вперед по внутренней временной шкале. Если распределение переставало меняться, внутренний ход времени останавливался.
Ученый назвал эту шкалу энтропийным временем. В опыте внутренний отсчет работал как полноценная временная координата. Энтропийное время задавало направление от прошлого к будущему, правильно упорядочивало события в системе с расширением и сжатием, а также шло быстрее или медленнее в зависимости от перераспределения частиц между двумя областями.
Для квантовой гравитации результат важен по простой причине: в некоторых моделях привычное время исчезает из уравнений. Эксперимент показывает, что динамику можно описывать через изменения внутри системы, без внешнего отсчета секунд. Повседневное ощущение хода времени может возникать из того, как части системы меняются относительно друг друга.
Работа также затрагивает уравнение Шрёдингера , базовое уравнение квантовой механики. Обычно уравнение описывает, как квантовое состояние меняется во времени. Если привычная временная шкала исчезает, возникает новая задача: чем заменить время в расчетах. Баронтини показал, что версию уравнения Шрёдингера можно записать через энтропийное время.
Этот подход сохраняет возможность предсказывать развитие квантовой системы. Квантовая механика описывает частицу не как маленький шарик с точной траекторией, а через распределение вероятностей: где частица может оказаться и с какой вероятностью. Энтропийное время позволяет рассчитывать, как такое распределение меняется, даже если внешний хронометр не используется.
Мини-вселенная из атомов не заменяет космологические наблюдения, но дает физикам управляемый лабораторный стенд для проверки идей, которые раньше почти полностью оставались в теории. Вопросы о природе времени обычно обсуждают при описании ранней Вселенной, квантовой гравитации и границ общей теории относительности. Теперь часть этих моделей можно проверять на атомных облаках, где лазеры, ловушки и охлаждение задают условия эксперимента.
Следующий шаг - усложнить систему. Более сложная квантовая модель поможет исследовать сценарии раннего космоса, Большого сжатия, лабораторных аналогов черных дыр и разные версии появления времени.
Физик из Бирмингемского университета Джованни Баронтини собрал в лаборатории мини-вселенную из 24 тысяч сверххолодных атомов и проверил, можно ли измерять ход времени без часов. В опыте порядок событий возникал внутри самой квантовой системе : его задавали не секунды на внешнем приборе, а изменения в распределении частиц.
Исследование затрагивает один из самых трудных вопросов современной физики: почему человек видит движение от прошлого к будущему, если некоторые фундаментальные уравнения вообще не используют время как отдельную величину.
В повседневной жизни ход времени кажется нам очевидным и логичным. Секунды идут одна за другой, события выстраиваются в цепочку, вчера нельзя поменять местами с завтра. Но многие базовые законы физики почти одинаково работают в обе стороны. Математически процесс часто можно прокрутить вперед и назад, а направление от прошлого к будущему приходится объяснять отдельно.
Одна из главных проблем связана с уравнением Уилера-ДеВитта. В квантовой гравитации уравнение описывает Вселенную целиком, без внешнего наблюдателя и без часов за ее пределами. Космос в таком описании задается единым квантовым состоянием, а частицы могут вести себя и как волны, и как отдельные объекты. Время не добавляется в модель как независимая шкала. Последовательность событий должна возникать из связей между частями самой системы.
Баронтини перенес эту задачу из теории в лабораторию. Для эксперимента он взял облако из 24 тысяч атомов и охладил его почти до абсолютного нуля. Температура была всего на несколько миллиардных долей градуса выше предела, при котором тепловое движение частиц почти прекращается. В таком режиме атомное облако подчиняется квантовым законам особенно заметно, поэтому подходит для моделирования простой замкнутой системы.
Частицы удерживали в ловушке и разделяли тонким барьером. Преграду создали два лазерных луча с разными частотами. Внутри появились две зоны: наблюдаемая область и скрытая область. Атомы могли переходить из одной части в другую, но вся система оставалась изолированной от внешней среды. Такая схема позволяла проверить главный вопрос: можно ли восстановить порядок событий изнутри, без лабораторных часов.
Наблюдаемая область то расширялась, то сжималась. По поведению система напоминала очень упрощенный космологический цикл: сначала аналог Большого взрыва , затем аналог Большого сжатия. Большой взрыв описывает раннее расширение Вселенной, а Большое сжатие - гипотетический сценарий, при котором расширение прекращается и сменяется коллапсом. В опыте Баронтини не создавали копию настоящего космоса. Физик собрал управляемую квантовую модель, где можно проследить похожую смену состояний.
Но главная суть здесь не в расширении атомного облака, а в способе расставить события по порядку. В обычном эксперименте исследователь смотрит на часы и отмечает, когда система расширялась, когда начала сжиматься и что происходило между этими этапами. Баронтини убрал внешний отсчет времени из описания. Вместо секундомера он использовал внутренние изменения облака.
Внутренним ориентиром стала энтропия . Простыми словами, энтропия показывает, как частицы распределены по доступным состояниям и насколько сильно меняется это распределение. В мини-вселенной исследователь следил, как атомы переходят между наблюдаемой и скрытой областями. Если размещение частиц в видимой части менялось, система двигалась вперед по внутренней временной шкале. Если распределение переставало меняться, внутренний ход времени останавливался.
Ученый назвал эту шкалу энтропийным временем. В опыте внутренний отсчет работал как полноценная временная координата. Энтропийное время задавало направление от прошлого к будущему, правильно упорядочивало события в системе с расширением и сжатием, а также шло быстрее или медленнее в зависимости от перераспределения частиц между двумя областями.
Для квантовой гравитации результат важен по простой причине: в некоторых моделях привычное время исчезает из уравнений. Эксперимент показывает, что динамику можно описывать через изменения внутри системы, без внешнего отсчета секунд. Повседневное ощущение хода времени может возникать из того, как части системы меняются относительно друг друга.
Работа также затрагивает уравнение Шрёдингера , базовое уравнение квантовой механики. Обычно уравнение описывает, как квантовое состояние меняется во времени. Если привычная временная шкала исчезает, возникает новая задача: чем заменить время в расчетах. Баронтини показал, что версию уравнения Шрёдингера можно записать через энтропийное время.
Этот подход сохраняет возможность предсказывать развитие квантовой системы. Квантовая механика описывает частицу не как маленький шарик с точной траекторией, а через распределение вероятностей: где частица может оказаться и с какой вероятностью. Энтропийное время позволяет рассчитывать, как такое распределение меняется, даже если внешний хронометр не используется.
Мини-вселенная из атомов не заменяет космологические наблюдения, но дает физикам управляемый лабораторный стенд для проверки идей, которые раньше почти полностью оставались в теории. Вопросы о природе времени обычно обсуждают при описании ранней Вселенной, квантовой гравитации и границ общей теории относительности. Теперь часть этих моделей можно проверять на атомных облаках, где лазеры, ловушки и охлаждение задают условия эксперимента.
Следующий шаг - усложнить систему. Более сложная квантовая модель поможет исследовать сценарии раннего космоса, Большого сжатия, лабораторных аналогов черных дыр и разные версии появления времени.
- Источник новости
- www.securitylab.ru
