فيزيائي يصنع “كونًا صغيرًا” في المختبر للتحقق من وجود الوقت بالفعل: ScienceAlert

ال العالم الكمي هو أمر مخالف للحدس بشكل مذهل: على أصغر المقاييس، تكون الصفات البدنية الأساسية مثل الموقع والسرعة غامضة، و وقت كما نعرفها لا يبدو أنه موجود.

تعيق هذه المراوغات الكمومية محاولتنا لفهم الكون، وطبيعة الوجود، وحتى الكون نوعية الوعي.

الأساس المنطقي الرياضي من فيزياء نيوتن، وميكانيكا الكم، والنسبية، وبشكل أكثر تحديدًا، معادلة ويلر-ديويت، يشير إلى أن الوقت ليس له اتجاه مدمج، بل وربما يختفي عند أعمق مستوى.

في المقابل، القانون الثاني للديناميكا الحرارية يقدم “سهمًا” للزمن: بدأ الكون في حالة منظمة، ربما كنقطة كثيفة بشكل لا نهائي، وأصبح أكثر اضطرابًا بشكل متزايد.

لذا، لاستكشاف طبيعة الزمن، وما إذا كان يمثل خاصية أساسية لكوننا، قام جيوفاني بارونتيني، عالم الفيزياء في جامعة برمنغهام، بإنشاء “كون صغير”. من الصفر، كما يفعل المرء.

“توفر هذه الدراسة أول دليل تجريبي محكم على أن “الوقت” يمكن تعريفه من خلال التغييرات داخل النظام بدلاً من “الساعة الموقوتة” الخارجية التي نعتبرها وقتًا،” بارونتيني يشرح.

في محاولة لجعل الزمن يظهر من تلقاء نفسه، بنى بارونتيني عالمه المصغر من حوالي 24000 ذرة روبيديوم تم تبريدها إلى أجزاء من المليار من الدرجة فوق الصفر المطلق، مكونة ذرة غريبة تسمى “سلاش” مكثف بوز-آينشتاين.

ويعرف أيضًا بالخامس حالة المادةويحدث هذا عندما يتم تبريد الجسيمات إلى درجة قريبة من الصفر المطلق؛ إنهم يفقدون فرديتهم ويبدأون في التصرف مثل “الجسيم الفائق” الموحد والمفرد.

قام بارونتيني بحصر هذه المادة الغريبة في مصيدة بصرية ثنائية القطب، والتي قسمتها إلى قطاعين باستخدام حاجز يتكون من تقاطع شعاعي ليزر بترددات مختلفة.

وقد أنتج هذا الترتيب قطاعًا “مشرقًا” تمت ملاحظته وقطاعًا “مظلمًا” ظل غير ملحوظ، مما سمح بظهور إحساس بالوقت أثناء تحرك الذرات ذهابًا وإيابًا بين القطاعين.

يقارن بارونتيني هذه القطاعات بالأجزاء غير المرئية من كوننا الحقيقي: المادة المظلمة و الطاقة المظلمة.

وبعبارة أخرى، أصبحت حركة الذرات بمثابة الساعة، مما يوفر إحساسًا بالوقت بناءً على عمل الإنتروبيا، بدلاً من عقارب الساعة التقليدية التي تدق.

قال بارونتيني لموقع ScienceAlert: «في التجربة، يتبادل الجزء المرصود من النظام الذرات والإنتروبيا مع الجزء غير المرصود. ومن خلال تبادل الإنتروبيا هذا، نحدد زمنًا داخليًا «أنتروبيًا».

“هذه المرة تزداد عندما يتم تبادل الإنتروبيا، وتتوقف عندما يتوقف تبادل الإنتروبيا.”

حدث تذبذب الذرات عبر الحاجز بشكل إيقاعي، مثل الدورات المتكررة لتوسع الكون الانفجار العظيم يليه تحطم الكون أزمة كبيرة – على غرار الفرضية الموجودة التي تقترح أننا نعيش في الكون للدراجات إلى ما لا نهاية.

ونتيجة لذلك، فإن الإحساس بالوقت ينشأ بشكل طبيعي من تسلسل الأحداث هذا لأن تدفق الإنتروبيا له اتجاه، وهذا الترتيب القائم على الإنتروبيا لا يسير إلى الوراء.

قال بارونتيني: “الطريقة المبسطة لقول ذلك هي أن الكون الصغير لا يحتاج إلى معامل خارجي لترتيب الأحداث؛ فتدفق الإنتروبيا الخاص به يخبرنا بالحدث الذي سيأتي بعد ذلك”.

تعتبر مثل هذه الأكوان المصغرة بمثابة أرض اختبار لا تقدر بثمن الفيزياءحيث يمكن تصميم أنظمة الذرة الباردة بدقة لاستكشاف بعض من أكثر آليات الكون غموضًا.

لفحص أسئلة حول الانفجار الكبير أو السحق الكبير المحتمل، قال بارونتيني لموقع ScienceAlert: «يمكننا تغيير شكل المصيدة، وارتفاع الحاجز، والتفاعلات بين الذرات، وملف الكثافة، والاقتران بين مناطق مختلفة من النظام».

“على سبيل المثال، يمكن للمرء أن يتساءل عما إذا كان الانهيار الظاهري يتصرف مثل التفرد أو يتحول بدلاً من ذلك إلى ارتداد”.

وبالمثل، يمكن للمرء تقريب حدود الثقوب السوداء عن طريق محاصرة الذرات على جانب واحد من الكون الصغير.

متعلق ب: نجاح! قام الفيزيائيون ببناء أول ساعات في العالم تعمل بالنوى الذرية

الانفجار الكبير و الثقوب السوداء وكانت في حد ذاتها اكتشافات مفاجئة. إذن من يستطيع تخمين التنوير الذي سيتبع من دس الأكوان المصغرة بعصا كمومية؟

ومن خلال إنشاء نظام كمي متحكم فيه لاختبار بعض هذه الأسئلة الرياضية والفيزيائية كميًا، يستطيع الفيزيائيون أيضًا حث الجوانب المحيرة للجاذبية الكمية على أمل تحقيق الحلم “المستحيل” المتمثل في توحيد النسبية العامة وميكانيكا الكم.

ولذلك، فإن هذا العمل “يقدم رؤية جديدة لطبيعة الزمن في الجاذبية الكمومية التي يمكن استخدامها لوصف الديناميكيات بنفس فعالية الوقت التقليدي،” بارونتيني يخلص.

تم نشر هذا البحث في أبحاث المراجعة البدنية.