لأول مرة، شاهد عالم فيزياء تجريبيًا الزمن ينبثق من داخل نظام كمي معزول، من خلال خلق “كون صغير”. تثير هذه التجربة الغريبة سؤالًا مثيرًا للاهتمام: إذا كان الكون لا يوجد شيء خارجه، فمن أين يأتي الزمن؟
في جديد يذاكر نشرت في 11 يونيو في المجلة أبحاث المراجعة البدنية, جيوفاني بارونتينياستخدم عالم الفيزياء التجريبية في جامعة برمنغهام في المملكة المتحدة سحابة من الذرات فائقة البرودة لبناء عالمه المصغر. كان النظام معزولًا تمامًا عن محيطه، لدرجة أنه، مثل الكون نفسه، لم يكن لديه أي شيء خارجي لاستخدامه كساعة. لقد قام بتقسيم هذا النظام إلى قسمين وتجاهل نصفه – ما أسماه “القطاع المظلم” – لإظهار أن الوقت يمكن أن ينشأ بالكامل من داخل النظام.
تقدم النتيجة أول نظرة تجريبية حول سبب وجود الوقت في الكون على الإطلاق. قال بارونتيني لموقع Live Science: «عندما تجمع كل شيء معًا، تصبح الأمور منطقية حقًا». “كيف كان الوقت داخل النظام يتسارع أو يتباطأ، أو حتى يتوقف – كان هذا مفاجئًا للغاية، مدى جودة كل شيء معًا. بدقة شديدة، بطريقة ما. وهو أمر لا يحدث كثيرًا في التجارب.”
يعد هذا العمل بمثابة التحقق التجريبي من الأفكار التي كانت تطفو على السطح في علم الكون الكمي والديناميكا الحرارية لعقود من الزمن. هذه ليست قنبلة تدعي ذلك الوقت وهمولكن هذه هي المرة الأولى التي يضع فيها أي شخص هذه الأفكار تحت اختبار كمي مباشر في المختبر.
الكون الذي لا يوجد شيء خارجه
شرع بارونتيني في النظر في مشكلة حيرت الفيزيائيين منذ ما يقرب من 60 عامًا. تصف معادلة ويلر-ديويت – وهي معادلة مركزية في الجاذبية الكمية، وهو المجال الذي يسعى إلى توحيد نظرية أينشتاين في الجاذبية مع ميكانيكا الكم – الكون كنظام كامل بدون معلمة زمنية خارجية. لا توجد ساعة كونية تدق خارج الكون. إذن من أين تأتي تجربتنا مع الزمن؟
تقول إحدى الأفكار المؤثرة، والتي تسمى الوقت العلائقي، أن الوقت غير موجود كعنصر أساسي للواقع. وبدلاً من ذلك، فهو ينشأ من علاقات داخل الكون، حيث يعمل جزء من النظام كساعة لجزء آخر. لكن هذه الفكرة لم يتم اختبارها بشكل مباشر في المختبر.
جاء إلهام بارونتيني من مشاهدة ابنه وهو يلعب بألعاب البناء. وقال لـ Live Science: “اعتقدت أنه شيء مشابه جدًا لما نقوم به في مختبراتنا”. “نحن نلعب بألعاب باهظة الثمن. ونصنع نماذجنا الصغيرة من الواقع.”
احصل على الاكتشافات الأكثر روعة في العالم والتي يتم تسليمها مباشرة إلى صندوق الوارد الخاص بك.
في مختبره، تلك العينة هي أ مكثف بوز-آينشتاين – حالة المادة التي تتشكل فقط عند الصفر المطلق. في مكثفة بوز-آينشتاين، تتباطأ آلاف الذرات إلى ما يقرب من التوقف التام، ثم تتلاشى معًا لتشكل جسمًا كميًا واحدًا، وتتصرف كجسم واحد.
تجربة جامعة برمنجهام لاحتجاز ذرات الروبيديوم وتبريدها بالقرب من الصفر المطلق، وهي الخطوة الأولى في تجميع الكون الصغير.
(رصيد الصورة: جامعة برمنغهام)
الجانب المظلم من الزمن
ولمحاكاة الكون الذي لا يوجد شيء خارجه، وضع بارونتيني المكثفات في فخ وقسمها إلى المنتصف باستخدام شريحة رقيقة من ضوء الليزر. لقد راقب النصف الأول، “القطاع الساطع”، عن كثب وتجاهل عمدًا النصف الآخر، الذي أطلق عليه “القطاع المظلم”.
كانت الذرات الموجودة في القطاع اللامع تتحرك ذهابًا وإيابًا في المصيدة، وتنتشر بشكل دوري فوق الحاجز وتعود مرة أخرى. أطلق بارونتيني على اللحظات التي تدفقت فيها الذرات إلى القطاع المضيء اسم “الانفجار الكبير” والأوقات التي استنزفت فيها الذرات “الانسحاق الكبير” (الاسم المستعار لإحدى نظريات الكون). كيف سينتهي الكون، مع انهيار الكون على نفسه). بعد ذلك، قام بتتبع كيفية تبادل الإنتروبيا – وهو مقياس للفوضى، أو مدى انتشار الطاقة داخل النظام – بين النصفين عندما عبرت الذرات الحاجز.
فبدلاً من استخدام الوقت المعملي لترتيب الأحداث، قام ببناء “زمن إنتروبيا” – وهي ساعة محددة بالكامل بمقدار الإنتروبيا التي تتدفق بين نصفي النظام. إذا كانت الإنتروبيا تتدفق، فإن الوقت كان يمر. إذا لم يتم تبادل الإنتروبيا، يتوقف الزمن. وقال بارونتيني: “يمكن تحويل الإنتروبيا المتبادلة بين النظامين إلى متغير زمني داخلي”.
الوقت يتسارع ويتباطأ ويتوقف
أكثر ما أدهش بارونتيني هو مدى توافق كل شيء معًا. لقد أمر الزمن الداخلي والانتروبي الأحداث بشكل موثوق في القطاع المشرق. لقد طابق التسلسل الذي شوهد في زمن المختبر، لكنه كان يتدفق بمعدل مختلف.
عندما كانت الإنتروبيا تتدفق بين القطاعات، كان وقت الإنتروبيا يمر بسرعة. وعندما تباطأت عملية التبادل، تباطأت الساعة أيضًا. وعندما وصل النصفان إلى التوازن (توقف تدفق الإنتروبيا)، توقفت الساعة الداخلية تمامًا.
ربما يكون الوقت وسهم الزمن قد ولدا من الجهل.
جيوفاني بارونتيني، فيزيائي تجريبي في جامعة برمنغهام
وقال بارونتيني: “كان الوقت يتسارع أو يتباطأ، أو حتى يتوقف، اعتماداً على ما كان يفعله النظام”.
ثم ذهب إلى أبعد من ذلك: باستخدام هذا الوقت الداخلي، اشتق نسخة من معادلة شرودنغر وأظهر أنه يكرر بدقة ما رآه في التجربة. وقال: “كان هذا مفاجئًا للغاية، مدى جودة تجميع كل شيء معًا، بدقة شديدة، بطريقة ما، وهو أمر لا يحدث كثيرًا في التجارب”.
الوقت نفسه وسهم الزمن – لماذا يتدفق الوقت في اتجاه واحد بدلاً من الآخر – قد ينشأان من نفس المصدر: مراقب يتخلى عن المعلومات. عندما اختار بارونتيني عدم النظر إلى القطاع المظلم، تخلى عن المعرفة بهذا النصف من النظام. إن فعل الجهل هذا، المشفر بالإنتروبيا، هو ما أدى إلى ظهور الزمن في النصف الآخر.
وقال بارونتيني: “الوقت وسهم الزمن ربما ولدا من الجهل”. “لكي يكون لديك الوقت والمراقبة، عليك أن تتخلى عن بعض درجات الحرية.”
ويرى بارونتيني أن هذا مجرد البداية. يمكن، من حيث المبدأ، تصميم نفس مجموعة أدوات الذرة الباردة التي ولدت انفجارًا عظيمًا مصغرًا وانسحاقًا كبيرًا في فخه، لمحاكاة ظواهر أكثر غرابة، مثل نظائرها من الثقوب السوداء، وظروف الكون المبكر، وما سيحدث في لحظة الانسحاق العظيم نفسها.
وقال: “هذه أشياء يمكننا القيام بها بكل بساطة، باستخدام الأدوات التي لدينا بالفعل لهندسة أنظمتنا”.
تعتبر هذه الدراسة بمثابة إثبات للمفهوم، فهي أول دليل على أن الأنظمة الكمومية الخاضعة للرقابة يمكن أن تكون بمثابة اختبار للبعض أسئلة بدون إجابة في الفيزياء. في الوقت الحالي، تظل هذه الأسئلة مفتوحة.
