O φυσικός Giovanni Barontini από το Πανεπιστήμιο του Μπέρμιγχαμ κατασκεύασε ένα «μίνι‑σύμπαν» για να μετρήσει τον χρόνο χωρίς ρολόι και να κάνει ένα βήμα προς την απάντηση ενός από τα μεγαλύτερα ερωτήματα της επιστήμης: «Τι είναι ο χρόνος;». Δημοσιεύοντας τα ευρήματά του στο Physical Review Research (arxiv.org), ο Barontini δείχνει πώς μπορεί να μετρηθεί η ροή του χρόνου χωρίς την χρήση εξωτερικού ρολογιού. Τα νέα ευρήματα αναδεικνύουν ένα επιστημονικό μοντέλο στο οποίο μια μορφή χρόνου αναδύεται από το ίδιο το πείραμα.
Ορισμένες θεωρίες της φυσικής, όπως η εξίσωση Wheeler–DeWitt, υποστηρίζουν ότι στο πιο θεμελιώδες επίπεδο το σύμπαν δεν περιέχει έναν «ενσωματωμένο» χρόνο, αλλά υπάρχει ως μια ενιαία, αμετάβλητη κβαντική κατάσταση, στην οποία όλα περιγράφονται ως μία ενιαία κβαντική κατάσταση. Η προσέγγιση αυτή αντιμετωπίζει το σύμπαν ως ένα σύνολο χωρίς εξωτερικό ρολόι, και κάθε αίσθηση χρόνου πρέπει να προκύπτει από τις εσωτερικές σχέσεις μεταξύ των μερών του.
Πώς λειτουργεί το μίνι‑σύμπαν
Ο Barontini χρησιμοποίησε ένα νέφος από 24.000 άτομα Ρουβιδίου-87, κοντά στο απόλυτο μηδέν, σε θερμοκρασίες μερικών νανο-Κέλβιν (δισεκατομμυριοστών του βαθμού Κέλβιν), για να δημιουργήσει ένα ερμητικά κλειστό κβαντικό σύστημα που μιμείται ένα απλό «σύμπαν». H κατάσταση των σωματιδίων είναι γνωστή ως συμπύκνωμα Bose-Einstein. Το νέφος των ατόμων παγιδεύτηκε και ο χώρος του χωρίστηκε με ένα λεπτό φράγμα που σχηματίστηκε από δύο δέσμες λέιζερ διαφορετικών συχνοτήτων, δημιουργώντας μια παρατηρούμενη («φωτεινή») και μια μη παρατηρούμενη («σκοτεινή») περιοχή.
Ο «φωτεινός» τομέας διαστέλλεται και καταρρέει επανειλημμένα, βιώνοντας κάτι σαν την Μεγάλη Έκρηξη και την Μεγάλη Σύνθλιψη, ένα υποθετικό σενάριο στο οποίο η διαστολή του σύμπαντος τελικά αντιστρέφεται. Το πείραμα επιτρέπει την ανακατασκευή της ακολουθίας γεγονότων από το εσωτερικό του ίδιου του μίνι‑σύμπαντος, χωρίς καμία αναφορά σε εξωτερικό εργαστηριακό ρολόι.
Το πείραμα δείχνει ότι είναι δυνατόν ο χρόνος να αναδυθεί από τις αλλαγές που συμβαίνουν μέσα σε ένα κβαντικό σύστημα, αντί να υπάρχει ως κάτι εξωτερικό που «κυλά» ανεξάρτητα. Το «μίνι‑σύμπαν» έδειξε ότι ο «χρόνος» μπορεί να δημιουργηθεί από την αταξία των ατόμων (εντροπία) και από την συμπεριφορά τους μέσα σε ένα σύστημα. Τα άτομα μπορούσαν να κινούνται μεταξύ των «φωτεινών» και «σκοτεινών» περιοχών, αλλά το σύστημα κατά τα άλλα ήταν απομονωμένο από τον έξω κόσμο.
Ο εντροπικός χρόνος στην πράξη
Όσο η κατανομή των ατόμων στον φωτεινό τομέα μεταβαλλόταν (καθώς εισέρχονταν ή εξέρχονταν από αυτόν), αλλάζοντας τη συνολική αταξία, το σύστημα «προχωρούσε προς τα εμπρός στον χρόνο». Όταν αυτή η «αταξία» παρέμενε σταθερή, ο εντροπικός χρόνος ουσιαστικά σταματούσε. Ο Barontini ονόμασε την διαδικασία «εντροπικό χρόνο», αφού διαπίστωσε ότι αυτή η μορφή χρόνου:
● Ρέει προς μία συνεπή κατεύθυνση, δίνοντας ένα σαφές «βέλος του χρόνου».
● Τοποθετεί σωστά τα γεγονότα σε χρονολογική σειρά, ακόμη και σε ένα σύστημα που διαστέλλεται και συστέλλεται σαν ένα μίνι-σύμπαν.
● Επιταχύνεται ή επιβραδύνεται ανάλογα με το πώς (και πόσο γρήγορα) μεταβάλλεται η εντροπία.
Σύμφωνα με τον Barontini: Σε ορισμένες θεωρίες του σύμπαντος, ιδιαίτερα στην κβαντική βαρύτητα, ο χρόνος δεν εμφανίζεται ως ενσωματωμένο χαρακτηριστικό. Ωστόσο, στην καθημερινή ζωή, ο χρόνος κυλά από το παρελθόν προς το μέλλον. Γιατί να συμβαίνει αυτό, όταν οι βασικότεροι νόμοι της φυσικής λειτουργούν με τον ίδιο τρόπο προς τα εμπρός και προς τα πίσω;
Η μελέτη αυτή παρέχει τα πρώτα ελεγχόμενα πειραματικά στοιχεία ότι ο ‘χρόνος’ μπορεί να οριστεί από τις αλλαγές μέσα σε ένα σύστημα και όχι ως προς ένα εξωτερικό ‘ρολόι’ που χτυπά. Προσφέρει νέα εικόνα για την φύση του χρόνου στην κβαντική βαρύτητα, η οποία θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την περιγραφή της δυναμικής εξίσου αποτελεσματικά με τον συμβατικό χρόνο.
Η μελέτη δείχνει επίσης ότι η εξίσωση Schrödinger μπορεί να επαναδιατυπωθεί ως προς τον εντροπικό χρόνο(*), επιτρέποντας προβλέψεις για το πώς το «νέφος πιθανότητας» ενός κβαντικού συστήματος μεταβάλλεται με τον χρόνο. Το πείραμα αντιμετωπίζει ένα παλαιό ερώτημα στη φυσική: σε ορισμένες θεωρίες του σύμπαντος δεν υπάρχει ενσωματωμένο «ρολόι», οπότε πώς μπορεί κανείς να διακρίνει τι έρχεται «πριν» και τι «μετά» χωρίς εξωτερικό χρόνο;
Ο Barontini έδειξε ότι το σύστημα ακολουθεί τις τυπικές εξισώσεις της κβαντικής φυσικής και ότι βαθιά ερωτήματα για τη φύση του χρόνου, που συνήθως συζητούνται μόνο σε θεωρίες για το σύμπαν ως σύνολο, μπορούν να εξεταστούν σε ελεγχόμενα εργαστηριακά πειράματα. Το πείραμα προσφέρει ένα ισχυρό πεδίο δοκιμών για ιδέες στην κβαντική κοσμολογία και τη βαρύτητα, πράγμα που σημαίνει ότι ιδέες σχετικές με το αρχέγονο σύμπαν μπορούν πλέον να ελεγχθούν πειραματικά στο εργαστήριο.
Η προσέγγιση θα μπορούσε να επεκταθεί(**) σε πιο σύνθετα συστήματα, επιτρέποντας ενδεχομένως στους ερευνητές να διερευνήσουν την φυσική της Μεγάλης Έκρηξης και της Μεγάλης Σύνθλιψης. Θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί για την προσομοίωση μαύρων οπών στο εργαστήριο ή για την δοκιμή ανταγωνιστικών θεωριών σχετικά με το πώς αναδύεται ο χρόνος στο σύμπαν.
διαβάστε περισσότερες λεπτομέρειες: Testing the problem of time with cold atoms – https://journals.aps.org/prresearch/abstract/10.1103/1h9j-df4k
(*) Ο εντροπικός χρόνος ορίζεται σύμφωνα με την εξίσωση:
όπου 
σ μια αυθαίρετη μονάδα εντροπικού χρόνου
kB η σταθερά του Boltzmann
S η εντροπία του παρατηρήσιμου φωτεινού τομέα του συστήματος
φ ένα μακροσκοπικό μέγεθος του συστήματος (όπως π.χ. η θέση του κέντρου μάζας ή η πυκνότητα των ατόμων) η οποία μεταβάλλεται και αναλαμβάνει τον ρόλο του «ρολογιού» του συστήματος (παρατηρείστε το απόλυτο 
(**) Ο Barontini γράφει στην δημοσίευσή του την εξίσωση Σρέντιγκερ συναρτήσει του εντροπικού χρόνου. Ακολουθώντας την ίδια συλλογιστική μπορούμε να γράψουμε (σαν άσκηση) τον 2ο νόμο του Νεύτωνα συναρτήσει του αναδυόμενου εντροπικού χρόνου ως: 
Η πειραματική επιβεβαίωση του Barontini, ότι ο χρόνος «αναδύεται» μέσα από την εντροπία μας, μας θυμίζει – χωρίς να έχει άμεση σχέση -, τον Erik Verlinde και την επαναστατική του ιδέα ότι και και η βαρύτητα «αναδύεται» από την εντροπία. Διαβάστε σχετικά: Μια νέα θεωρία για την βαρύτητα εξηγεί την σκοτεινή ύλη.
Κατηγορίες:ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ, ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ, ΚΟΣΜΟΛΟΓΙΑ, ΣΤΑΤΙΣΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ, ΣΥΜΠΑΝ
physicsgg 
Σχολιάστε