物理学家创造了一个微型宇宙，其中时间无需时钟便涌现

在一项发表于《物理评论研究》的研究中，乔瓦尼·巴龙蒂尼教授证明，不依赖时钟测量时间的流逝是可能的。相反，实验表明，一种形式的时间可以自然地从量子系统本身的行为中涌现。

为何一些物理学家认为时间可能不是基本的

现代物理学的几种理论表明，时间可能并不作为宇宙的内禀特征而存在。惠勒-德威特方程就是一个例子，它将宇宙描述为没有外部时钟的单一量子态。在这个图景中，粒子表现出波和粒子的行为，而我们所熟悉的时间流逝必须产生于系统不同部分之间的关系，而不是来自一个独立滴答作响的时钟。

为了通过实验验证这一想法，巴龙蒂尼教授利用一团24,000个超冷原子创建了一个简化的量子“宇宙”，这些原子被冷却至仅比绝对零度高十亿分之几度。原子被密封在一个孤立系统内，并由两束不同频率的激光束产生的薄势垒隔开。这产生了两个区域：一个被观测的（“亮”）区域和一个未被观测的（“暗”）区域。

一个拥有自身时间感的微小宇宙

在这个微型宇宙内部，亮区域反复膨胀和收缩，类似于大爆炸随后发生大挤压的简化版本，大挤压是一种宇宙膨胀最终发生逆转的假想事件。

由于系统是完全孤立的，研究人员可以仅利用来自微型宇宙内部的信息重建事件序列，而无需参考任何外部的实验室时钟。

结果表明，时间可以从量子系统内部发生的变化中涌现，而不是作为一个总是向前移动的独立背景存在。

熵如何创造时间

实验揭示，“时间”产生于原子在亮区和暗区之间移动时其无序度或分布（熵）的变化。除了这种移动外，系统与外部世界保持隔离。

随着亮区中粒子分布的增加或减少，系统实际上在时间中向前移动。当粒子分布停止变化时，时间本身实际上也停止了。

巴龙蒂尼教授将这一概念称为“熵时间”。在实验中，这种形式的时间：

• 沿着一个一致的方向流动，产生清晰的“时间之箭”
• 正确排列事件顺序，即使微型宇宙在膨胀和收缩
• 可以根据熵的重分布方式加速或减速

巴龙蒂尼教授说：“在一些宇宙理论中，尤其是量子引力理论中，时间并不表现为一种内禀特征。然而在日常生活中，时间从过去流向未来——既然大多数基本物理定律在正向和反向都同样适用，为什么会是这样呢？

“这项研究提供了首个受控实验证据，证明‘时间’可以由系统内部的变化定义，而不是我们通常认为的时间那种外部的‘滴答作响的时钟’。它为量子引力中时间的本质提供了新见解，这种见解可以像传统时间一样有效地用于描述动力学。”

在实验室中测试量子引力

研究人员还发现，量子力学的基本方程——薛定谔方程的一个版本，可以用熵时间来表达。这意味着即使时间是由内部变化而非外部时钟定义的，科学家仍然可以预测量子系统的“概率云”如何随时间演化。

这项工作解决了物理学中一个长期存在的问题。如果某些理论是正确的，且宇宙没有内禀时钟，事件如何能被置于正确的顺序中？实验表明，答案可能在于系统自身的内部演化。

巴龙蒂尼教授表明，这个微型宇宙遵循标准的量子力学定律，同时允许在受控实验室条件下测试关于时间本质的想法，而这些想法通常局限于描述整个宇宙的理论中。

迈向大爆炸和黑洞的实验

这个微型宇宙为测试量子宇宙学和量子引力中的想法提供了一个宝贵的实验平台。科学家们可能不再仅仅依赖数学模型，而是能够通过实验室实验来研究与早期宇宙相关的概念。

该团队表示，同样的方法最终可以扩展到更复杂的量子系统，为探索大爆炸、“大挤压”、模拟黑洞的物理学以及关于时间本身如何产生的竞争理论的实验打开了大门。