如果時間根本不是現實結構的一部分，會發生什麼？一項新的實驗表明，我們每天體驗的從過去到未來的時間流逝，可能源於系統的內部動態。科學家使用 24,000 顆超冷原子建造了一個「迷你宇宙」，從而研究時間如何在不依賴時鐘的情況下出現。這項發現發表在《Physical Review Research》上，為研究人員提供了一種測試長期以來僅存在於理論中的想法的新方法。
這一設置可以幫助科學家探索量子重力、宇宙的起源以及時間的基本性質。
建立迷你宇宙的過程中，伯明翰大學的喬凡尼·巴倫蒂尼教授及其團隊利用 24,000 顆超冷原子的雲來創造這個微型宇宙。這些原子的温度僅比絕對零度高出十億分之一度。研究人員在一個孤立的量子系統內限制了這些粒子，然後他們使用兩束激光形成了一個薄膜，將設置分為兩個區域。一個區域保持可觀察或「明亮」，而另一個區域則隱藏，成為「黑暗」部分。在這個簡化的宇宙中，明亮區域不斷擴展和收縮。
這一循環類似於理論上的大爆炸隨後的大崩潰情景，即宇宙的膨脹最終會逆轉。
研究顯示時間的流逝與熵的變化有關
由於系統與周圍環境隔絕，科學家僅通過微型宇宙內部發生的變化重建事件的序列，無需外部實驗室的時鐘。這項實驗指向一個名為「熵時間」的概念。研究人員將時間的流逝與熵的變化聯繫起來，熵是描述粒子在系統中散佈的方式。原子在明亮和黑暗區域之間移動，改變物質的分佈。隨著這些分佈的演變，系統向前推進。在排列停止改變時，時間實際上靜止不動。研究小組發現，這種版本的時間以一致的方向流動，並在擴展和收縮的重複循環中正確排序事件。
其流逝速度可以根據系統內熵的變化而加快或放慢。
巴倫蒂尼指出，「在一些宇宙理論中，尤其是量子重力，時間並不是一個內建的特徵。然而，在日常生活中，時間是從過去流向未來。為何會如此，當大多數基本物理法則向前和向後運作時？」巴倫蒂尼表示，這項研究提供了受控實驗證據，顯示系統內的變化可以在不依賴外部時鐘的情況下定義時間。「這為量子重力中時間的本質提供了新的見解，」他説。「它可以像傳統時間一樣有效地描述動態。」研究人員還展示了在這一框架下，量子力學依然在數學上保持一致。
他們使用熵時間重寫了薛丁格方程的版本，允許預測量子概率分佈的演變。
這項工作解決了物理學中一個長期存在的難題：如果宇宙沒有基本時鐘，事件如何能夠以有意義的「之前」和「之後」序列排列？也許更重要的是，這項實驗將抽象的辯論轉化為可檢驗的科學。該平台最終可能使研究人員能夠調查與早期宇宙相關的條件，探討量子重力的競爭理論，甚至在受控實驗室條件下模擬黑洞。數十年來，這些問題主要存在於黑板和複雜的方程式中。這個迷你宇宙暗示物理學家可能終於有方法將其中一些問題付諸實驗。
