Az idő illúzió? Fizikusok miniuniverzumot építettek és kiderült: képes önmagát teremteni

Mi van, ha az idő illúzió, és nincs is beleszőve a valóság szövetébe, hanem egy rendszer belső változásaiból bontakozik ki? Fizikusok most elvégezték az évtizedek óta vitatott elméleti kérdés első kísérleti tesztjét.

A hatvan éve élő kérdés – hogy az idő alapvető tulajdonsága-e a világegyetemnek, vagy csupán a benne zajló változások mellékterméke – elhagyta a krétával felírt egyenletek világát, és belépett a laboratóriumba.

Giovanni Barontini, a Birminghami Egyetem professzora és csapata 24 ezer ultrahideg (az abszolút nulla fok, azaz mínusz 273,15 Celsius-fok közelébe hűtött) atomból épített egy „miniuniverzumot”, és megmutatta, hogy az idő múlása külső óra nélkül is nyomon követhető – méghozzá magából az entrópiából (értsd: magának a miniuniverzumnak a rendezetlenségéből, kiszámíthatatlanságából) fakadóan.

A kutatást június 11-én közölte a Physical Review Research, az amerikai fizikai társaság (American Physical Society) rangos, lektorált folyóirata, a teljes tanulmány pedig szabadon, ingyenesen olvasható az arXiv archívumban is.

Mekkora ez a miniuniverzum, és hol létezik?

Mielőtt belemennénk, érdemes tisztázni, mekkora is ez a „miniuniverzum”, és milyen körülmények között létezik. Nem külön helyiségről vagy hatalmas berendezésről van szó: az egész vizsgálat egyetlen légmentesen zárt üvegcellában zajlik, amelyet lézerek és mágneses terek tartanak stabilan a helyén egy optikai asztalon, a Birminghami Egyetem laborjában. Maga a „világegyetem” – vagyis az az atomfelhő, amelyben minden lejátszódik – fél milliméternél is kisebb, szabad szemmel alig látható méretű.

Ezt a felhőt a kutatók egy láthatatlan fényfallal két félre osztották, mintha egy szobát középen egy vékony függönnyel választanánk el. A fal két lézersugár keresztezéséből jött létre, és mindössze 8 mikrométer széles.

Az egyik oldalt a kutatók folyamatosan figyelték és mérték – ezt nevezték „fényes szektornak”. A másik oldalát szándékosan nem figyelték meg, nem mértek benne semmit – ez volt a „sötét szektor”. Fontos: az atomok szabadon átjárhattak a fal két oldala között, csak épp az egyik oldalon a kutatók tudatosan lemondtak arról, hogy bármit is megtudjanak arról, mi történik ott.

Ez a döntés – hogy az információ egy részét szándékosan elengedték – kulcsszerepet játszik abban, hogyan született meg az idő a rendszerben.

A teljes megfigyelési időszak mindössze nagyjából 100–120 ezredmásodpercig (egy szemvillanásnyi idő töredékéig) tartott, ami alatt a fényes szektor több alkalommal is végigment a tágulás-összehúzódás ciklusán. Azért kellett a hőmérsékletüket az abszolút nulla fok fölötti néhány milliárdod fokra lehűteni, hogy az atomok egyáltalán ebbe a különleges, közösen viselkedő kvantumállapotba kerülhessenek – ennél hidegebb hely a természetben gyakorlatilag nem létezik.

A probléma, amin a fizikusok 60 éve rágódnak

A hagyományos fizika az időt egyfajta univerzális óraként kezeli, amely könyörtelenül és egyenletesen ketyeg előre, függetlenül attól, mi történik a világegyetemben. Csakhogy a kvantumgravitáció – az a kutatási terület, amely Einstein gravitációelméletét próbálja összeegyeztetni a kvantummechanikával – egyik központi egyenlete, a Wheeler–DeWitt-egyenlet (amely az egész univerzumot egyetlen kvantumállapotként írja le) egyáltalán nem tartalmaz külső időparamétert.

Ha ez az egyenlet helyesen írja le a valóságot, az univerzum egésze időtlen, statikus állapotban létezik – miközben mi, benne élők, folyamatosan érzékeljük az idő múlását.

Ez a fizikusok által „az idő problémájának” nevezett ellentmondás. Barontini ötlete az volt, hogy a kérdést nem egy táblára írja fel krétával, hanem laboratóriumban teszteli le.

Hogyan zajlott a ciklus: Nagy Bumm és Nagy Reccs

A korábban bemutatott, fényfallal kettéosztott atomfelhő egy Bose–Einstein-kondenzátumnak nevezett, egzotikus anyagállapotban létezett: ez az az állapot, amikor rengeteg atom annyira lelassul, hogy gyakorlatilag egyetlen közös kvantum-„szuperrészecskeként” viselkedik. A fényes szektor az atomok mozgása miatt ismétlődően kitágult, majd összehúzódott: ezeket a ciklusokat a kutató tréfásan a Nagy Bummhoz és a Nagy Reccshez hasonlította (utóbbi az univerzum egy elméleti, jövőbeli összeomlását jelentené). Mivel a teljes elrendezés légmentesen el volt zárva a külvilágtól – gyakorlatilag nem érintkezett semmilyen külső hatással –, a benne zajló eseményeket kizárólag a rendszeren belülről, külső órára hivatkozás nélkül lehetett sorba rendezni.

Az entrópikus idő – óra rendezetlenségből

Ahelyett, hogy laboratóriumi órával mérte volna az eseményeket, Barontini egy úgynevezett „entrópikus időt” épített: olyan belső mutatót, amely nem a másodperceket, hanem az entrópia áramlását követi a fényes és a sötét szektor között. Ez a mennyiség egyirányúan, folyamatosan nőtt – így alkalmas volt arra, hogy megbízhatóan sorba rendezze az eseményeket, ciklusról ciklusra, anélkül, hogy bármilyen külső referenciára szükség lett volna.

A kutató azt is megfigyelte, hogy ez a belső idő nem egyenletesen telt:

amikor az atomok gyorsan áramlottak át a gáton, az entrópikus idő felgyorsult, ha az áramlás lelassult, az idő is lelassult, amikor pedig az atomeloszlás stabilizálódott, az idő gyakorlatilag megállt.

Barontini saját fogalmazása a Live Science-nek: a rendszeren belüli idő hol felgyorsult, hol lelassult, hol pedig teljesen megállt.

A Schrödinger-egyenlet, amit nem a macskájáról kell megjegyezni

A kutatás nem állt meg a megfigyelésnél. A csapat az entrópikus idő segítségével átírta a Schrödinger-egyenletet – ez a kvantummechanika alapegyenlete, amely leírja, hogyan fejlődik egy kvantumrendszer az időben –, úgy, hogy a benne szereplő időváltozó ne egy külső óra, hanem a rendszer saját entrópiája legyen. Amikor ezzel az átalakított egyenlettel szimulálták a miniuniverzum viselkedését, és az kiválóan egyezett a ténylegesen mért adatokkal.

Vagyis a kvantummechanika standard szabályai továbbra is érvényesek maradtak – csak éppen az időt magából a rendszerből kellett levezetni, nem kívülről ráültetni. Ez a technikai lépés teszi a kutatást igazán jelentőssé: nem csupán megfigyelték, hogy „valamilyen belső időt” követ, hanem matematikailag is bebizonyították, hogy ez a belső idő ugyanazokat az eredményeket adja, mint a hagyományos, külső idővel felírt fizika.

Mire jó mindez?

A kísérlet az első kontrollált laboratóriumi teszt arra, hogy a „relációs idő” elmélete – amely szerint az idő nem alapvető, hanem a rendszer részei közötti kapcsolatokból származik – valóban működik-e a gyakorlatban. Barontini szerint a módszer később bonyolultabb rendszerekre is kiterjeszthető, amivel a korai univerzumhoz, a fekete lyukakhoz vagy éppen versengő kvantumgravitációs elméletekhez kapcsolódó kérdések is tesztelhetővé válnak laboratóriumi körülmények között.

De a kutatásnak van egy ennél is izgalmasabb, már-már filozófiai olvasata. Idézzük fel: a „sötét szektort” a kutatók nem azért hagyták figyelmen kívül, mert az ne létezne, hanem tudatos döntésből – egyszerűen lemondtak arról, hogy bármit is megtudjanak róla. Ez a lemondás, ez a hiányzó tudás az, amit a fizikában entrópiának neveznek: minél kevesebbet tudunk egy rendszer belső állapotáról, annál nagyobb a benne rejlő rendezetlenség a mi szemszögünkből. Barontini kísérletében pontosan ez az entrópia – ez a be nem vallott tudatlanság – volt az, amiből az idő megszületett. Ha a kutatók mindkét szektort folyamatosan figyelték volna, nem keletkezett volna entrópia, és nem lett volna mit „időként” mérni sem.

Ebből egy meglepő gondolat következik:

az idő egyirányú áramlása – hogy van múlt és jövő, és nem fordítva – nem feltétlenül a világegyetem beépített tulajdonsága, hanem attól is függhet, hogy egy megfigyelő mit hagy figyelmen kívül.

Barontini maga is ezt az elszigetelt, meg nem figyelt „sötét szektort” hasonlította a mi valódi világegyetemünk sötét anyagához és sötét energiájához: olyan részekhez, amelyekről tudjuk, hogy léteznek, hatásukat mérjük, de közvetlenül soha nem figyeljük meg őket.

Vagyis lehet, hogy az idő, ahogy mi megéljük, valóban csak illúzió, amely abból fakad, hogy vannak dolgok – talán éppen a sötét anyag és a sötét energia –, amelyekbe sosem látunk bele igazán.