تمكن الوقت من الجري بدون ساعة في تجربة كمومية

أنشأ البروفيسور جيوفاني بارونتيني من جامعة برمنغهام نظامًا كميًا صغيرًا معزولًا يتكون من 24 ألف ذرة شديدة البرودة في مختبره لفهم كيفية نشوء الوقت. وتم نشر مقال بالنتائج في المجلة أبحاث المراجعة البدنية.

سر الزمن في الفيزياء الأساسية

العديد من النظريات، بما في ذلك معادلة ويلر-ديويت الشهيرة في الجاذبية الكمومية، تزعم أنه في أعمق مستوى للكون ليس لديه “ساعة” جاهزة. يجب أن يظهر الزمن بذاته من الروابط الداخلية بين الجسيمات والأحداث. قرر بارونتيني اختبار هذه الفكرة ليس فقط على الورق، ولكن في تجربة حقيقية.

كيف يبدو الكون المصغر للمختبر؟

أخذ العالم حوالي 24 ألف ذرة روبيديوم وقام بتبريدها إلى الصفر المطلق تقريبًا – فقط بضعة أجزاء من المليارات من الدرجة فوق أدنى درجة حرارة ممكنة. في هذه الحالة، تتصرف الذرات مثل سحابة كمومية واحدة، وتطيع قوانين ميكانيكا الموجات.

وباستخدام شعاعي ليزر بترددات مختلفة، أنشأ حاجزًا رفيعًا وقسم السحابة إلى منطقتين: “خفيفة” (التي يمكن ملاحظتها) و”مظلمة” (مخفية). توسعت المنطقة الساطعة وانكمشت، لمحاكاة دورات مثل الانفجار الكبير والانكماش اللاحق للكون. تتسرب الذرات ببطء ذهابًا وإيابًا عبر الحاجز، لكن النظام بأكمله ظل معزولًا تمامًا عن العالم الخارجي.

الانتروبيا كمحرك الوقت

الوقت في هذا الكون الصغير ولد من إنتروبيا – مقياس للفوضى ومدى توزيع الذرات بالتساوي. تخيل غرفة: عندما تكون الأشياء متناثرة في جميع أنحاء الفضاء، تكون الإنتروبيا عالية. عندما يتم جمعها في زاوية واحدة – منخفضة.

عندما تتناثر الجسيمات الموجودة في المنطقة الساطعة على نطاق أوسع، أو على العكس من ذلك، تتجمع بسبب تدفق الذرات وتدفقها إلى الخارج، فإن النظام “يتحرك للأمام في الوقت المناسب”. إذا ظل التوزيع دون تغيير، يبدو أن الوقت قد توقف. أطلق عليه بارونتيني وقت الانتروبيا.

مثل هذا الوقت لديه كل الميزات المهمة التي اعتدنا عليها:

• يتدفق في اتجاه واحد فقط، مما يخلق “سهم الزمن” الواضح؛
• تسلسل الأحداث بشكل صحيح حتى أثناء التوسع والانكماش؛
• يمكن تسريعها أو إبطاءها اعتمادًا على معدل تغير الإنتروبيا.

كلام الباحث نفسه

يقول البروفيسور بارونتيني:

“في بعض نظريات الكون، وخاصة الجاذبية الكمومية، الوقت ليس خاصية متكاملة. ومع ذلك، في الحياة اليومية، يتدفق الوقت من الماضي إلى المستقبل – لماذا يحدث هذا عندما تعمل معظم قوانين الفيزياء الأساسية بنفس الطريقة للأمام أو للخلف؟”

ما تمكنا من إثباته

قدمت التجربة أدلة مختبرية حقيقية لأول مرة: يمكن تحديد الوقت من خلال التغييرات الداخلية في النظام، دون أي ساعة خارجية. حتى أن العلماء أعادوا كتابة المعادلة الأساسية لميكانيكا الكم – معادلة شرودنغر – باستخدام زمن الإنتروبيا هذا. لقد وصف سلوك الذرات بشكل مثالي.

الآن أصبح لدى الفيزيائيين منصة تجريبية مناسبة. ويمكنه اختبار الأفكار حول الكون المبكر، وعلم الكون الكمي، والثقوب السوداء، والنظريات المتنافسة حول أصل الزمن، مباشرة على مقاعد المختبر، وليس فقط في الحسابات الرياضية.