Ένα πείραμα με ένα «παιχνίδι» σύμπαν, φτιαγμένο από εξαιρετικά ψυχρά άτομα, δείχνει πώς ο χρόνος μπορεί να αναδύεται από κβαντικές αλληλεπιδράσεις και όχι να υπάρχει εξ ορισμού.
Της Karmela Padavic-Callaghan
Υπάρχει πράγματι ο χρόνος;
Bruce Rolff/Stocktrek Images/Getty Images
Υπάρχει πράγματι ο χρόνος;
Bruce Rolff/Stocktrek Images/Getty Images
Η ροή του χρόνου ίσως δεν είναι τίποτε περισσότερο από μια ψευδαίσθηση που προκύπτει από τις κβαντικές αλληλεπιδράσεις ανάμεσα σε διαφορετικά μέρη του σύμπαντος — τουλάχιστον αυτό φαίνεται να ισχύει σε ένα μοντέλο-παιχνίδι του κόσμου. Το πείραμα ίσως δίνει ενδείξεις για τη φύση του χρόνου και στο δικό μας σύμπαν.
Ο Giovanni Barontini, από το Πανεπιστήμιο του Birmingham στη Βρετανία, άρχισε να σκέφτεται τον χρόνο βλέποντας τον 6χρονο γιο του να παίζει. «Έστηνε το δικό του μικρό σύμπαν και σκεφτόμουν ότι περίπου αυτό κάνουμε κι εμείς στα εργαστήριά μας, όταν φτιάχνουμε ένα σύστημα υπερψυχρών ατόμων», λέει. «Όμως μετά άρχισα να σκέφτομαι ότι αυτό είναι κιόλας αρκετά βαρετό ως σύμπαν, γιατί δεν συμβαίνει και πολλά εκεί μέσα, και αν δεν συμβαίνει τίποτε, είναι σαν να μην περνάει ο χρόνος».
No space, no time, no particles: A radical vision of quantum reality
Για να εξετάσει αν ο χρόνος είναι πράγματι μια ψευδαίσθηση σε τέτοια συστήματα, ο Barontini χρησιμοποίησε λέιζερ και ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις για να ψύξει περίπου 20.000 άτομα ρουβιδίου σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν. Χώρισε τα άτομα αυτού του «παιχνιδιού» σύμπαντος σε δύο τμήματα, το ένα με την ένδειξη «bright» και το άλλο «dark», κατ’ αναλογία με τη σκοτεινή ύλη.
Αυτό το αρχικό σύμπαν ήταν ουσιαστικά άχρονο και αμετάβλητο, όμως στη συνέχεια ο Barontini χρησιμοποίησε λέιζερ για να ωθήσει τα δύο τμήματα να ανταλλάξουν άτομα και έτσι να αλληλεπιδράσουν σε κβαντικό επίπεδο. Αυτό άλλαξε την εντροπία, δηλαδή την αταξία, του σύμπαντος, και γνωρίζουμε ότι στο δικό μας σύμπαν ο χρόνος ρέει προς την κατεύθυνση της αύξησης της εντροπίας. Έτσι, ο Barontini μπόρεσε να ορίσει έναν εσωτερικό χρόνο για το «παιχνίδι» σύμπαν. Επιπλέον, μπόρεσε να χρησιμοποιήσει αυτόν τον νέο χρόνο στην εξίσωση του Schrödinger, που περιγράφει την εξέλιξη των κβαντικών συστημάτων, για να υπολογίσει τις κβαντικές καταστάσεις των ατόμων, βρίσκοντας ότι το αποτέλεσμα συμφωνούσε με τα δεδομένα του πειράματος.
Υπάρχει προηγούμενο για αυτή την άποψη του χρόνου ως κάτι που προκύπτει από κβαντικές συσχετίσεις ή αλληλεπιδράσεις, αντί να είναι δεδομένο: στην ατομική φυσική, την ιδέα είχε διατυπώσει πρώτος ο φυσικός Nevill Mott τη δεκαετία του 1930 και από τότε έχει μελετηθεί θεωρητικά. Μόλις το 2013, ο Marco Genovese από το National Metrology Institute of Italy και οι συνεργάτες του έδωσαν την πρώτη απόδειξη ότι κάτι τέτοιο είναι εφικτό, σε ένα πείραμα με διεμπλεγμένα σωματίδια φωτός. Και εκεί, η αίσθηση του χρόνου προέκυπτε από κβαντικές συσχετίσεις.
«Η παρούσα εργασία επεξεργάζεται περαιτέρω αυτή την ιδέα με σημαντική πρόοδο», λέει ο Genovese. Συγκεκριμένα, το «σύμπαν» από υπερψυχρά άτομα είναι πιο σύνθετο από εκείνο που είχε δημιουργηθεί με φως, ενώ ο Barontini κατάφερε να εφαρμόσει την εξίσωση του Schrödinger στον εσωτερικό χρόνο του συστήματος, κάτι που δεν είχε γίνει ξανά.
Ο Claus Kiefer από το Πανεπιστήμιο της Κολωνίας στη Γερμανία λέει ότι αυτό το πείραμα με το «παιχνίδι» σύμπαν συνδέεται με το ευρύτερο πρόβλημα του πώς να συνδυαστούν η βαρύτητα και η κβαντική θεωρία σε ένα ενιαίο πλαίσιο που θα μπορούσε να ισχύει για το σύμπαν μας σε όλες τις κλίμακες. Το ερώτημα παραμένει ανοιχτό, σημειώνει, αλλά ορισμένοι φυσικοί έχουν προτείνει ότι μια τέτοια θεωρία θα χαρακτηριζόταν από την απουσία του χρόνου στο πιο θεμελιώδες επίπεδο. Το νέο πείραμα μιμείται αυτή την κατάσταση, όμως ο Kiefer λέει ότι υπάρχουν και διαφορές — για παράδειγμα, καθώς τα υπερψυχρά άτομα κινούνται ανάμεσα στα τμήματα, δεν αλληλεπιδρούν με σύνθετους τρόπους όπως αναμένεται να συμβαίνει σε ένα μεγαλύτερο σύμπαν.
The daring idea that time is an illusion and how we could prove it
Ωστόσο, ο Carlo Rovelli από το Aix-Marseille University στη Γαλλία λέει ότι τέτοιου είδους πειράματα δεν μπορούν να ανακαλύψουν κάτι νέο για τον χρόνο, επειδή κατασκευάζονται με βάση τη φυσική που ήδη κατανοούμε. Παρ’ όλα αυτά, το να υπάρχουν ως προσομοιώσεις μεγάλων ανοιχτών προβλημάτων ίσως προσφέρει έμπνευση για το πώς να αντιμετωπιστεί η άγνωστη φυσική, όπως ακριβώς το διαβόητα δυσπρόσιτο ζήτημα της κβαντικής βαρύτητας, λέει.
Για τον Barontini, η νέα μελέτη αποτελεί πειραματική επιβεβαίωση ιδεών που υπάρχουν εδώ και πολύ καιρό και, ως τέτοια, δείχνει ότι δεν έχουν απορριφθεί οριστικά. Δεν αποτελεί όμως επιβεβαίωση ότι έτσι λειτουργεί ο χρόνος σε όλες τις κλίμακες, λέει.
Οι κοσμολόγοι, που μελετούν ολόκληρο το σύμπαν και όχι εργαστηριακά «παιχνίδια» μοντέλα, είναι πιθανό να έχουν ενστάσεις για αυτή τη δουλειά, λέει ο Barontini. Ωστόσο, θέλει να συνεχίσει να εξερευνά αυτό το υπερψυχρό «μικρό σύμπαν», για παράδειγμα χρησιμοποιώντας λέιζερ ώστε να δημιουργήσει περιοχές από τις οποίες τα άτομα δεν θα μπορούν να απομακρυνθούν, παρόμοια με την έλξη μιας μαύρης τρύπας.
Physical Review Research DOI: 10.1103/1h9j-df4k
