Profesör Giovanni Barontini, mutlak sıfırın biraz üzerindeki sıcaklıklara soğutulmuş binlerce atom kullanarak, zamanın geçişinin harici bir saate ihtiyaç duymadan ölçülebileceğini gösterdi. Bunun yerine, deneysel sistem içindeki parçacıkların davranışından doğal olarak bir zaman biçimi ortaya çıkıyor.

Physical Review Research dergisinde yayınlanan bulgular , teorik fizikteki ilgi çekici bir fikre deneysel kanıt sağlıyor: Zaman, gerçekliğin temel bir bileşeni olmayabilir. Evrenin kendi içindeki ilişkilerden ve değişimlerden kaynaklanıyor olabilir.

Bazı Fizikçilerin Zamanın Temel Bir Kavram Olmayabileceğini Düşünmelerinin Nedenleri

Genellikle zamanı, çevremizde ne olursa olsun sürekli ilerleyen bir şey olarak düşünürüz. Saniyeler geçer, gezegenler yıldızların etrafında döner ve evren evrim geçirir. Ancak bazı fizik teorileri, zamanın en temel düzeyde çok farklı işleyebileceğini öne sürüyor.

Bir örnek olarak, kuantum mekaniğini yerçekimiyle birleştirmeye yönelik girişimlerde ortaya çıkan Wheeler-DeWitt denklemi verilebilir. Bu çerçevede, evren, zamanın geçişini işaretleyen harici bir saat olmaksızın, tek ve değişmeyen bir kuantum durumu olarak tanımlanabilir. Kuantum parçacıkları hem dalga benzeri hem de parçacık benzeri özellikler sergileyebilir, ancak evrenin bir bütün olarak mutlaka yerleşik bir zaman değişkenine sahip olması gerekmez.

Bu büyük bir bilmece yaratıyor. Evrenin dışsal bir saati yoksa, olaylar nasıl belirli bir sırayla gerçekleşebilir? Hangi olayların önce, hangilerinin sonra gerçekleşeceğini ne belirliyor?

Olasılıklardan biri, zamanın evrenin farklı bölümleri arasındaki değişen ilişkilerden ortaya çıkmasıdır. Barontini, böyle bir sürecin laboratuvarda gözlemlenip gözlemlenemeyeceğini araştırmak için bir deney tasarladı.

24.000 Atomla Minyatür Bir Evren Yaratmak

Barontini, minyatür evrenini inşa etmek için, mutlak sıfırın sadece birkaç milyarda bir derece üzerinde soğutulmuş yaklaşık 24.000 atomdan oluşan bir bulut kullandı. Bu olağanüstü düşük sıcaklıklarda, kuantum etkileri özellikle önem kazanır ve araştırmacıların normalde gözlemlenmesi zor olan davranışları incelemelerine olanak tanır.

Atomlar, çevresinden izole kalacak şekilde tasarlanmış, dikkatlice kontrol edilen bir kuantum sisteminin içine hapsedilmişti. Farklı frekanslarda çalışan iki lazer ışını, sistemi iki bölgeye ayıran ince bir bariyer oluşturdu: gözlemlenen (‘parlak’) bölge ve gözlemlenmeyen (‘karanlık’) bölge.

Sistemin tamamı dış dünyadan izole edilmiş olsa da, atomlar bu iki bölge arasında hareket edebiliyordu.

Parlak bölge, iki dramatik kozmolojik olayın basitleştirilmiş versiyonlarına benzeyen, tekrarlanan genişleme ve daralma döngülerinden geçti. Genişleme Büyük Patlama’ya, daralma ise evrenin varsayımsal bir kaderi olan ve kozmik genişlemenin sonunda tersine dönüp her şeyin içe doğru çöktüğü Büyük Çöküş’e benziyordu.

Deney, bu gerçek kozmik olayları yeniden yaratmadı. Bunun yerine, araştırmacıların sistemin dışındaki bir saate başvurmadan bir olay dizisinin nasıl yeniden oluşturulabileceğini inceleyebilecekleri basitleştirilmiş bir kuantum modeli sağladı.

Saat Olmadan Zaman Nasıl Ortaya Çıktı?

Deneyin anahtarı, fizikte parçacıkların ve enerjinin yayılması veya düzensizliği (entropi) ile ilişkilendirilen bir kavram olan entropiydi.

Barontini, saniye veya dakika yerine, minyatür evrendeki atomların dağılımındaki değişiklikler yoluyla zamanı izlemenin bir yolunu geliştirdi.

Atomlar aydınlık ve karanlık bölgeler arasında hareket ettikçe, aydınlık bölgedeki parçacıkların dağılımı değişti. Bu değişiklikler, aydınlık bölge genişleme ve daralma arasında gidip gelirken bile, sistemin zaman içindeki ilerleyişini tanımlamanın bir yolunu sağladı.

Parçacık dağılımının yayılımı arttığında veya azaldığında, sistem bu içsel zaman ölçüsüne göre ilerlemeye devam etti. Dağılım değişmeden kaldığında ise, bu özel zaman biçiminin ilerleyişi fiilen durdu.

Önemli olan, bunun laboratuvarda zamanın kelimenin tam anlamıyla durduğu anlamına gelmemesiydi. Bunun anlamı, sistemdeki ilgili değişiklikler ortadan kalktığında, içsel zaman ölçümünün ilerlemesinin durmasıydı.

Barontini bu kavrama “entropik zaman” adını verdi. Deney, bu zaman biçiminin birkaç önemli özelliğe sahip olduğunu gösterdi. Sürekli olarak tek bir yönde ilerler ve fizikçilerin “zaman oku” olarak adlandırdığı, geçmiş ve gelecek arasındaki ayrımı kurar. Ayrıca, minyatür evren genişleyip daralırken bile olayları doğru sıraya yerleştirir.

Belki de en şaşırtıcı olanı, entropik zamanın her zaman aynı hızda ilerlememesidir. İlerlemesi, sistem içindeki entropinin nasıl değiştiğine bağlı olarak hızlanabilir veya yavaşlayabilir.

Fiziğin En Büyük Gizemlerinden Birine Yeni Bir İpucu

Profesör Barontini şunları söyledi: “Evrenin bazı teorilerinde, özellikle kuantum kütleçekiminde, zaman yerleşik bir özellik olarak görünmez. Oysa günlük hayatta zaman geçmişten geleceğe doğru akar – fiziğin en temel yasalarının çoğu ileriye ve geriye doğru aynı şekilde işlediği halde, bu neden böyledir?”

“Bu çalışma, ‘zamanın’, düşündüğümüz gibi dışsal bir ‘saat’ değil, bir sistem içindeki değişimlerle tanımlanabileceğine dair ilk kontrollü deneysel kanıtı sunmaktadır. Kuantum kütleçekiminde zamanın doğasına dair yeni bir bakış açısı sunarak, dinamikleri tıpkı geleneksel zaman kadar etkili bir şekilde tanımlamak için kullanılabilir.”

Günlük zaman ile fiziğin temel yasaları arasındaki ayrım özellikle önemlidir. Birçok temel fizik denklemi, zaman matematiksel olarak tersine çevrilse de ileriye doğru hareket etmesine izin verilse de aynı derecede iyi çalışır. Yine de dünya deneyimimizin net bir yönü vardır: Geleceği değil, geçmişi hatırlarız ve olaylar tanınabilir bir sırayla gelişir.

Entropi, bu farklılığı açıklamada uzun zamandır merkezi bir rol oynamıştır. Barontini’nin deneyi, entropideki değişikliklerin kontrollü bir kuantum sistemi içinde zamanın işlevsel bir ölçüsünü nasıl sağlayabileceğini göstererek bu bağlantıyı daha da ileri götürüyor.

Bulgular, olayları doğru sıraya koymanın ötesine de geçiyor.

Barontini, kuantum mekaniğinin temel denklemlerinden biri olan Schrödinger denkleminin bir versiyonunun entropik zaman kullanılarak ifade edilebileceğini göstermiştir. Bu denklem, parçacıkların belirli konumlarda veya durumlarda bulunma olasılığındaki değişiklikler de dahil olmak üzere, bir sistemin kuantum durumunun nasıl evrimleştiğini açıklar.

Başka bir deyişle, içsel olarak üretilen zaman ölçüsü, tıpkı standart kuantum mekaniğinde geleneksel zamanın kullanıldığı gibi, kuantum sisteminin davranışı hakkında tahminlerde bulunmak için hala kullanılabilir.

Minik bir evren, Büyük Patlamayı açıklamaya yardımcı olabilir mi?

On yıllardır, zamanın kökeni ve temel doğası hakkındaki sorular büyük ölçüde teorik fiziğe, özellikle kuantum kozmolojisi ve kuantum kütleçekimine aitti. Bu alanlar, erken kozmosla ilişkili aşırı koşullar da dahil olmak üzere, kuantum etkileri ve kütleçekiminin birlikte ele alınması gerektiğinde evrenin nasıl davrandığını anlamaya çalışır.

Barontini’nin deneyi, bilim insanlarının yaratabileceği, manipüle edebileceği ve gözlemleyebileceği fiziksel sistemler kullanarak bu fikirlerden bazılarını araştırmanın bir yolunu sunuyor.

Minyatür evren, evrimini tanımlamak için farklı bir yol sunarken, kuantum fiziğinin yerleşik denklemlerine uymaya devam etti. Bu da onu, zamanın incelenen sistemden bağımsız olarak var olduğu varsayılmayan teoriler için potansiyel olarak değerli bir test alanı haline getiriyor.

Gelecekteki deneyler, bu yaklaşımı daha karmaşık kuantum sistemlerine genişleterek araştırmacıların Büyük Patlama ve Büyük Çöküş modellerini daha ayrıntılı bir şekilde incelemelerine olanak sağlayabilir. Benzer teknikler, sonunda kara deliklerin bazı yönlerini simüle etmeye veya zamanın nasıl ortaya çıktığına dair rakip açıklamalar arasında ayrım yapmaya yardımcı olabilir.

Bu deney, zamanın bir yanılsama olduğunu veya evrenimizin temel bir zamandan yoksun olduğunu kanıtlamaz. Bunun yerine, daha önce test edilmesi zor olan bir şeyi gösterir: Bir kuantum sistemi, harici bir saate bağlı kalmadan anlamlı bir içsel zaman ölçüsüne sahip olabilir.

Araştırmacılar, yalnızca 24.000 atomdan oluşan minyatür bir evren yaratarak, fizikçileri ve filozofları yüzyıllardır meşgul eden bir soruyu araştırmak için yeni bir deneysel araç elde ettiler: Zamanın akışını ne sağlıyor?