英國伯明罕大學的物理學家創造了一個實驗室裡的「微型宇宙」，讓科學家們離解答物理學中最重大的問題之一——「時間是什麼？」又近了一步。
在一篇發表於《物理評論研究》期刊上的研究中，Giovanni Barontini 教授展示了在不依賴時鐘的情況下測量時間流逝的可能性。該實驗表明，時間的一種形式可以從量子系統本身的行為中自然產生。
為何有些物理學家認為時間可能不是基礎的
現代物理學的幾種理論表明，時間可能並非宇宙內建的特徵。其中一個例子是惠勒-迪威特方程式，它將宇宙描述為一個沒有外部時鐘的單一量子態。在此圖像中，粒子同時展現波動和粒子的行為，而我們熟悉的時間流逝必須源於系統不同部分之間的關係，而非來自獨立計時的時鐘。
為了實驗性地探究這個想法，Barontini 教授利用由 24,000 個超低溫原子組成的簡化量子「宇宙」。這些原子被冷卻到僅比絕對零度高幾十億分之一度。原子被密封在一個隔離的系統中，並由兩束不同頻率的雷射束產生的薄屏障分隔。這產生了兩個區域：「明亮」的觀測區域和「黑暗」的未觀測區域。
擁有自身時間感知的微型宇宙
在這個微型宇宙內部，「明亮」區域會重複膨脹和收縮，類似於簡化的宇宙大爆炸後緊接著一個大擠壓（Big Crunch）的過程。大擠壓是一種假設的事件，其中宇宙的膨脹最終會逆轉。
由於系統完全隔離，研究人員僅能利用微型宇宙內部的資訊來重建事件的順序，而無需參考任何外部實驗室的時鐘。
結果顯示，時間可以從量子系統內發生的變化中產生，而不是作為一個總是向前移動的獨立背景而存在。
實驗揭示了「時間」源於原子在明亮和黑暗區域之間移動時的無序度或擴散度（熵）的變化。除了這種運動之外，系統與外界保持隔離。
隨著「明亮」區域中粒子的分佈增加或減少，系統有效地在時間上向前推進。當粒子分佈停止變化時，時間本身也有效地停止了。
Barontini 教授將這個概念稱為「熵時間」。在實驗中，這種形式的時間：
Barontini 教授表示：「在一些宇宙理論中，特別是量子重力理論，時間並非內建的特徵。然而在日常生活中，時間卻從過去流向未來——這是為什麼呢？當大多數基本的物理定律向前和向後運作方式相同時？」
「這項研究提供了第一個受控的實驗證據，證明『時間』可以由系統內部的變化來定義，而不是我們認為的時間的外部『計時時鐘』。它為量子重力中時間的本質提供了新的見解，可以用來像傳統時間一樣有效地描述動力學。」
在實驗室中測試量子重力
研究人員還發現，薛丁格方程式（量子力學的基本方程式）的一個版本可以用熵時間來表達。這意味著科學家們即使在時間由內部變化而非外部時鐘定義時，仍然可以預測量子系統的「機率雲」如何隨時間演變。
這項工作解決了物理學中一個長期存在的問題。如果某些理論是正確的，並且宇宙沒有內建時鐘，那麼事件如何才能被正確排序？實驗表明，答案可能在於系統自身的內部演化。
Barontini 教授展示了微型宇宙遵循標準的量子力學定律，同時允許通常僅限於描述整個宇宙的理論來測試關於時間本質的想法，而這些想法可以在受控的實驗室條件下進行測試。
邁向關於宇宙大爆炸和黑洞的實驗
微型宇宙為測試量子宇宙學和量子重力中的想法提供了一個有價值的實驗平台。科學家們現在可能能夠透過實驗室實驗來研究與早期宇宙相關的概念，而不是僅僅依賴數學模型。
該團隊表示，相同的方法最終可以擴展到更複雜的量子系統，從而為探索宇宙大爆炸、大擠壓、模擬黑洞以及關於時間本身如何出現的競爭理論的物理學打開實驗的大門。
