Ako entropija određuje smer vremena, može li se iz nje definisati i sam protok vremena? Pitanje je važno zato što dve najuspešnije teorije moderne fizike vreme tretiraju različito. U Ajnštajnovoj opštoj teoriji relativnosti vreme je deo prostor-vremena koji se zakrivljuje pod uticajem mase i energije. Zato vreme sporije protiče u jačem gravitacionom polju, recimo u blizini crne rupe. U kvantnoj mehanici vreme se uglavnom javlja kao unapred zadati spoljni parametar prema kojem se kvantni sistemi menjaju.
Fizičar Đovani Barontini sa Univerziteta u Birmingemu nedavno je objavio naučni članak koji opisuje da je u laboratoriji stvorio svojevrsni minijaturni svemir da eksperimentalno prouči jedno od najdubljih pitanja moderne fizike: da li je vreme temeljni činilac stvarnosti ili može nastati iz promena u samom sistemu? Rezultati, objavljeni u časopisu Physical Review Research, pružaju prve kontrolisane eksperimentalne dokaze da se u izolovanom kvantnom sistemu vreme može definisati njegovom unutrašnjom evolucijom, bez oslanjanja na vreme mereno u spoljnom svetu. Zašto ono teče samo u jednom smeru?
U svakodnevnom životu doživljavamo ga kao nešto potpuno prirodno. Ljudi stare, događaji se nižu jedan za drugim, sećamo se prošlosti, ali ne i budućnosti. Razbijeno jaje neće se samo ponovno sastaviti, kao što se ni listovi istrgnute iz knjige i bačeni u vazduh neće spontano vratiti u pravilan redosled. Sve to upućuje da vreme ima jasan smjer – od prošlosti ka budućnosti. No, na temeljnoj osnovi priroda nije tako jednoznačna. Većina osnovnih fizičkih zakona, uključujući Njutonove zakone kretanja, klasičnu mehaniku i Šredindingerovu jednačinu kvantne mehanike, može podjednako dobro opisivati procese koji se odvijaju unapred i unazad. Snimak sudara dve biljarske kugle može se pustiti u oba smera, a njihovo će kretanje, zanemare li se učinci poput trenja, i dalje biti u skladu s fizikčkim zakonima.
Zašto u stvarnom svetu vreme teče samo u jednom smeru? Najčešće prihvaćeno objašnjenje daje drugi zakon termodinamike, prema kojem entropija u izolovanom sistemu u prosjeku raste ili ostaje nepromenjena. Ona se, inače, pojednostavljeno opisuje kao mera nereda. Neuređena stanja mogu se ostvariti na mnogo više načina od uređenih. Postoji neuporedivo više mogućih stanja razbijenog jajeta ili razbacanih listova knjige nego onih u kojima su svi delovi ponovo na pravom mestu. Tačnije, listovi knjige od 300 označenih listova mogu se poređati na 300! odnosno približno 3,06 × 10⁶¹⁴ načina, što je broj od 615 cifara i oko 10⁵³⁴ puta veći od procenjenog zbira atoma u vidljivom svemiru koji iznosi oko 10⁸⁰. S druge strane, postoji samo jedan način na koji se može složiti knjiga u izvornom obliku. Britanski astrofizičar Artur Edington je smer porasta entropije nazvao „strelicom vremena”.
Barontinijev ogled postavlja još dublje pitanje: ako entropija određuje smer vremena, može li se iz nje definisati i sam protok vremena? Pitanje je važno zato što dve najuspešnije teorije moderne fizike vreme tretiraju različito. U Ajnštajnovoj opštoj teoriji relativnosti vreme je deo prostor-vremena koji se zakrivljuje pod uticajem mase i energije. Zato vreme sporije protiče u jačem gravitacionom polju, recimo u blizini crne rupe. U kvantnoj mehanici vreme se uglavnom javlja kao unapred zadati spoljni parametar prema kojem se kvantni sistemi menjaju. Kada fizičari pokušaju da povežu kvantnu mehaniku i opštu teoriju relativnosti u jedinstvenu teoriju kvantne gravitacije, nailaze na neobičnu prepreku: vreme iz nekih jednačina nestaje. Najpoznatiji primer jeste Viler-Devitova jednačina, koja svemir opisuje kao jedinstven kvantni sistem bez spoljašnjeg vremenskog parametra. Van svemira nema sata, ni drugog sistema prema čijim bi se promenama mogla meriti njegova evolucija. Jedno od mogućih rešenja toga jeste takozvano relacijsko vreme. Prema toj zamisli, vreme nije nezavisna pozadina na kojoj se događaji odvijaju, nego proizlazi iz odnosa različitih delova sistema. Jedan može poslužiti kao vremenska referenca drugome.
Barontini je tu ideju u novoj studiji ispitao pomoću 24.000 atoma rubidijuma, ohlađenih na svega nekoliko milijarditih delića stepena iznad apsolutne nule (-273,15°C). Na tako niskoj temperaturi nastaje Boze-Ajnštajnov kondenzat, stanje materije u kojem se mnoštvo atoma počinje da se ponaša poput jedinstvenog kvantnog predmeta. Kondenzat je smestio u gotovo potpuno izolovanu zamku da razmenu energije i informacija sa spoljašnjim svetom svede na najmanju moguću meru i tako oponašao jednostavan, samostalan svemir. Nakon toga podelio ga je na dva dela tankom barijerom od laserske svetlosti. Jedan je posmatrao i nazvao ga svetlim sektorom, drugi je namerno zanemario i nazvao tamnim sektorom. Cilj je bio da pokaže da se redosled događaja može rekonstruisati bez oslanjanja na spoljašnje vreme, samo na temelju promena unutar sistema. Atomi su se kretali između dva sektora, a njihov broj u svetlom delu ritmički se povećavao i smanjivao. Fizičar je trenutke njihovog nadiranja u svetli sektor slikovito nazvao „velikim praskom”, a povlačenje „velikim sažimanjem”, prema hipotetskom završetku svemira u kojem se širenje preokreće i počinje urušavati. To ne znači da je stvorio veran model nastanka i završetka stvarnog svemira, nego analogno ustrojstvo za ispitivanje matematičkih ideja iz kvantne kosmologije.
Kvantno stanje celog izolovanog sistema razvija se prema Šredindingerovoj jednačini, čija je dinamika u ovom slučaju vremenski reverzibilna. Kada bismo poznavali potpuno kvantno stanje sistema i zakon njegovog razvoja, iz sadašnjeg stanja načelno bismo mogli rekonstruisati ranija i izračunati kasnija stanja. Matematički preokrenut sistem mogao bi proći kroz ista stanja obratnim redosledom, ne kršeći temeljne zakone kvantne mehanike. Kada posmatrač vidi samo jedan deo, dok drugi ostaje skriven, deo informacija iz vidljivog dela postaje mu nedostupan jer prelazi u korelacije sa skrivenim delom. U posmatranom sektoru se zato pojavljuju rast entropije i nepovratnost, odnosno strelica vremena. Đovani Barontini je za Live Science rekao da vreme i strelica vremena možda jednostavno nastaju iz neznanja: „Da bismo imali vreme i mogli posmatrati sistem, moramo se odreći nekih stupenaa slobode”.
Ta tvrdnja dotiče i temeljno pitanje drugog zakona termodinamike. Ako su osnovne jednačine uglavnom vremenski simetrične, odakle dolazi nepovratni rast entropije? Mnogi fizičari smatraju da nastaje zato što sistem opisujemo statistički, ne pratimo sve stepene slobode i zanemarujemo deo informacija. Barontini je pokušao da pokaže upravo taj prelaz iz reverzibilne dinamike celog sistema u nepovratni tok vremena u samo jednom njegovom delu. Pratio je razmenu entropije između svetlog i tamnog sektora dok su atomi prelazili prepreku. Na temelju toga definisao je „entropijsko vrijeme”, koje nije zavisilo od laboratorijskog sata, nego od unutrašnjih promena sistema. Dok se entropija razmenjivala, unutrašnje vreme je teklo. Kada je razmena bila brža, teklo je brže. Čim se usporila, usporio je i entropijski sat. Nakon što su sektori dosegli ravnotežu i razmena je prestala, unutrašnje vreme se zaustavilo. To ne znači da je fizičko vreme u laboratoriji doslovno stalo, nego da se prestala menjati unutrašnja vremenska varijabla definisana razmenom entropije. Tako definisano vreme pravilno je određivalo redoslied događaja, mada nije uvek teklo jednakom brzinom kao laboratorijsko vreme.
Navedeno istraživanje je dokaz koncepta, a ne konačan odgovor na pitanje šta je to vreme. Njegova je važnost u tome što su teorijske ideje prvi put neposredno i kvantitativno ispitane u kontrolisanom laboratorijskom sistemu i što je u izolovanom kvantnom sistemu (u kojem načelno vreme ne postoji, odnosno vremenski je simetričan) zabeležena promena entropije preko koje je definisano vreme. Slični sistemi ultrahladnih atoma u budućnosti bi mogli poslužiti za proučavanje ranog svemira, Velikog praska, hipotetskog Velikog sažimanja i određenih svojstava crnih rupa.
(Ilustracija AI/University of Birmingham)
(Indeks)
