Czym jest czas, gdy nie ma zegara? Fizycy wpadli na intrygujący trop

Skąd wiemy, że coś było wcześniej

Gdybyś został zamknięty w odizolowanym świecie, bez kalendarza, zegara i możliwości spojrzenia poza jego granice, skąd wiedziałbyś, że czas w ogóle płynie?

To pytanie brzmi jak filozoficzna zagadka, ale dla fizyków ma bardzo konkretne znaczenie. Profesor Giovanni Barontini z University of Birmingham przeprowadził eksperyment, który pozwolił sprawdzić ten problem w laboratorium. W tym celu stworzył specjalny układ z około 24 tysięcy atomów rubidu schłodzonych niemal do zera absolutnego. W tak ekstremalnych warunkach atomy tworzą kondensat Bosego-Einsteina. To niezwykły stan materii, w którym ogromna liczba cząstek zaczyna zachowywać się tak, jakby była jednym wspólnym obiektem kwantowym. 

Badacz umieścił atomy w pułapce optycznej, czyli w układzie, w którym światło pomaga utrzymać je w kontrolowanym miejscu. Następnie podzielił całość na dwa obszary. Jeden pozostawał widoczny dla badaczy, drugi był ukryty. Mimo to atomy mogły przemieszczać się między obiema częściami.

Mały wszechświat z atomów rubidu

Podczas testów liczba atomów w obserwowanej części układu okresowo malała i rosła. Matematycznie przypominało to modele kosmologiczne, w których Wszechświat przechodzi przez fazy kurczenia się i rozszerzania. Fizycy porównali te oscylacje do procesów przypominających Wielki Wybuch i Wielki Kolaps.

Ten eksperyment, opisany w czasopiśmie Physical Review Research, nie odpowiada jeszcze na pytanie „czym naprawdę jest czas”. Pokazuje jednak coś bardzo istotnego: nawet w całkowitej izolacji od zewnętrznego zegara można wyznaczyć kolejność wydarzeń – „przed” i „po”. Wystarczy obserwować zmiany zachodzące wewnątrz samego układu.

Czym jest czas: zagadka wciąż zostaje otwarta

To odkrycie z fizyki jest ważne, bo problem czasu jest jedną z największych przeszkód w połączeniu dwóch wielkich teorii współczesnej nauki: ogólnej teorii względności i mechaniki kwantowej. Eksperyment Barontiniego pokazuje, że idee znane dotąd głównie z matematycznych modeli można zacząć sprawdzać w rzeczywistym świecie laboratorium. 

Dzięki temu naukowcy nie muszą opierać się wyłącznie na równaniach. Mogą badać podobne koncepcje w praktyce, w kontrolowanych warunkach. Być może w przyszłości takie eksperymenty pomogą lepiej zrozumieć początki Wszechświata, grawitację kwantową albo fizykę czarnych dziur. Na razie pokazują coś skromniejszego, ale bardzo intrygującego: mała chmura ultrazimnych atomów może stać się narzędziem do badania jednej z największych zagadek fizyki.

Warto przeczytać: Kwantowa ucieczka od życia. Nowa metafizyka dla zmęczonych