Що таке час? Це лише спосіб вимірювати зміни, чи одна з фундаментальних властивостей Всесвіту? Над цим питанням людство замислюється тисячоліттями, однак сучасна фізика досі не має остаточної відповіді. Тепер міжнародна команда вчених зробила крок, який може наблизити її до розгадки. Дослідникам вдалося створити в лабораторії крихітну квантову систему, яку вже охрестили «міні-всесвітом», і спостерігати, як у ній виникає власний внутрішній час.
На перший погляд це звучить як сюжет наукової фантастики, але результати експерименту можуть мати величезне значення для фундаментальної науки. Вони відкривають новий шлях до розуміння того, як могли виникнути простір і час після Великого вибуху.
Чому час залишається найбільшою загадкою фізики?
У повсякденному житті час здається абсолютно очевидним. Секундна стрілка рухається, Сонце сходить і заходить, люди старіють. Проте на рівні фундаментальної фізики все набагато складніше.
Загальна теорія відносності Альберта Ейнштейна описує час як одну зі складових єдиного простору-часу. Його перебіг залежить від швидкості руху та сили гравітації. Саме тому годинники на супутниках GPS йдуть трохи швидше, ніж на поверхні Землі, і ці відмінності доводиться постійно враховувати.
Однак квантова механіка — інша фундаментальна теорія — працює зовсім інакше. У її рівняннях час часто виступає лише як зовнішній параметр, а не як фізична величина, що народжується всередині системи. Через це фізики десятиліттями не можуть об’єднати квантову механіку із загальною теорією відносності в єдину «теорію всього».
Саме тому питання походження часу вважається одним із найважливіших у сучасній науці.
Як створили «міні-всесвіт»?
Для експерименту дослідники використали конденсат Бозе—Ейнштейна — надзвичайно екзотичний стан речовини.
Він виникає тоді, коли групу атомів охолоджують майже до абсолютного нуля — приблизно −273,15 °C. За такої температури окремі атоми перестають поводитися як незалежні частинки й починають діяти як єдиний квантовий об’єкт.
Фактично мільйони атомів поводяться так, ніби вони є однією «гігантською хвилею».
Саме цей унікальний стан дозволив ученим побудувати ізольовану систему, поведінка якої нагадує ранній Всесвіт.
Народження часу
Найдивовижніше відкриття полягає в тому, що всередині цієї системи виникла власна послідовність подій.
Інакше кажучи, спостерігач міг визначити, що одна подія сталася «раніше», а інша — «пізніше», хоча ніякого зовнішнього годинника для цього не використовували.
Фізики називають це емергентним часом.
Це означає, що час може бути не фундаментальною властивістю природи, а наслідком взаємодії великої кількості квантових частинок.
Подібна ідея давно обговорювалася теоретиками, але тепер уперше з’явилася можливість спостерігати її експериментально.
Чому це настільки важливо?
Багато космологічних моделей припускають, що одразу після Великого вибуху звичний нам час міг узагалі не існувати.
Лише в процесі розвитку раннього Всесвіту поступово виникла знайома нам часово-просторова структура.
Якщо ця гіпотеза правильна, експеримент дозволяє буквально зазирнути в найперші миті існування космосу.
Крім того, він може допомогти пояснити одну з найбільших проблем сучасної науки — чому квантова механіка та загальна теорія відносності настільки погано поєднуються між собою.
Чи означає це створення нового Всесвіту?
Попри гучні заголовки, жодного нового Всесвіту фізики, звичайно, не створили.
«Міні-всесвіт» — це лише образна назва лабораторної моделі, яка відтворює окремі властивості космосу.
Його розмір становить лише частки міліметра, а сам експеримент проходить у надпотужній вакуумній установці під суворим контролем.
Ніякої небезпеки така система не становить.
Наступний крок науки
Дослідники вже планують ускладнювати модель.
Наступні експерименти мають показати, чи можуть усередині таких квантових систем виникати не лише час, а й інші фундаментальні властивості нашого Всесвіту — наприклад, простір або навіть ефекти, схожі на гравітацію.
Якщо ці дослідження виявляться успішними, вони можуть наблизити фізику до створення єдиної теорії, яка пояснить усі фундаментальні сили природи.
Майбутнє починається в лабораторії
Наука вже неодноразово доводила, що найфантастичніші відкриття нерідко стають основою майбутніх технологій. Колись квантова механіка здавалася суто теоретичною дисципліною, а сьогодні без неї неможливо уявити комп’ютери, лазери, смартфони чи систему GPS.
Новий експеримент із «міні-всесвітом» поки що не дає готових відповідей на питання про походження часу. Але він демонструє, що навіть такі фундаментальні поняття можуть бути не незмінними законами природи, а явищами, які виникають із взаємодії матерії.
І якщо ця гіпотеза підтвердиться, людство може опинитися на порозі однієї з найбільших наукових революцій XXI століття — революції, яка змінить саме наше уявлення про те, як народився Всесвіт і чому в ньому існує час.