Birmingham Üniversitesi'nden bir fizikçi, laboratuvarda yarattığı minyatür bir "evren" ile fiziğin en büyük sorularından birine yanıt aramaya bir adım daha yaklaştı: Zaman nedir?
Physical Review Research dergisinde yayımlanan çalışmada Profesör Giovanni Barontini, zamanın geçişini bir saate bağlı kalmadan ölçmenin mümkün olduğunu kanıtladı. Deney, zamanın bir versiyonunun, kuantum sisteminin kendi davranışından doğal olarak ortaya çıkabileceğini gösteriyor.
Bazı Fizikçiler Neden Zamanın Temel Olmadığını Düşünüyor?
Modern fiziğin bazı teorileri, zamanın evrenin doğasında var olan bir özellik olmayabileceğini öne sürüyor. Buna örnek olarak, evreni dış bir saat olmaksızın tek bir kuantum durumu olarak tanımlayan Wheeler-DeWitt denklemi gösterilebilir. Bu resimde parçacıklar hem dalga hem de parçacık benzeri davranışlar sergiliyor ve bildiğimiz zaman akışı, bağımsız bir tık taklayan saatten değil, sistemin farklı bölümleri arasındaki ilişkilerden ortaya çıkıyor.
Profesör Barontini, bu fikri deneysel olarak araştırmak için mutlak sıfırın yalnızca birkaç milyarda biri derece üzerine kadar soğutulmuş 24.000 ultra soğuk atomdan oluşan bir bulut kullanarak basitleştirilmiş bir kuantum "evreni" yarattı. Atomlar, izole bir sistem içinde mühürlendi ve iki farklı frekanstaki lazer ışınıyla oluşturulan ince bir bariyerle ayrıldı. Bu, gözlemlenen ("aydınlık") ve gözlemlenmeyen ("karanlık") olmak üzere iki bölge oluşturdu.
Kendi Zaman Anlayışına Sahip Minik Bir Evren
Bu minyatür evrenin içinde, aydınlık bölge sürekli olarak genişleyip daraldı; bu, Büyük Patlama'nın ardından evrenin genişlemesinin bir noktada tersine döndüğü varsayımsal bir olay olan Büyük Çöküş'ün basitleştirilmiş bir versiyonuna benziyordu.
Sistem tamamen izole olduğu için araştırmacılar, dışarıdaki herhangi bir laboratuvar saatine başvurmadan, yalnızca mini evrenin içindeki bilgileri kullanarak olayların sırasını yeniden oluşturabildi.
Sonuçlar, zamanın bağımsız ve her zaman ileri doğru akan bir arka plan olarak var olmak yerine, kuantum sistemi içinde gerçekleşen değişimlerden ortaya çıkabileceğini gösterdi.
Entropi Zamanı Nasıl Yarattı?
Deney, "zamanın" atomların aydınlık ve karanlık bölgeler arasında hareket ederken düzensizliklerindeki (entropi) değişimlerden kaynaklandığını ortaya çıkardı. Bu hareket dışında sistem dış dünyadan izole kaldı.
Aydınlık bölgedeki parçacıkların dağılımı arttıkça veya azaldıkça, sistem etkili bir şekilde zamanda ilerledi. Parçacık dağılımı değişmeyi durdurduğunda ise zaman da durdu.
Profesör Barontini bu kavramı "entropik zaman" olarak adlandırıyor. Deneyde bu zaman biçimi:
- Tutarlı bir yönde akarak net bir "zaman oku" oluşturuyor
- Mini evren genişleyip daralsa bile olayları doğru şekilde sıralıyor
- Entropinin yeniden dağıtılma şekline bağlı olarak hızlanabiliyor veya yavaşlayabiliyor
Profesör Barontini şunları söyledi: "Evrenle ilgili bazı teorilerde, özellikle kuantum kütleçekiminde, zaman yerleşik bir özellik olarak görünmez. Oysa günlük hayatta zaman geçmişten geleceğe doğru akar. Fiziğin temel yasalarının çoğu ileri ve geri yönde aynı şekilde işlerken bu neden böyle?
"Bu çalışma, 'zamanın' dışarıdaki 'tık taklayan saat' olarak düşündüğümüz şeyden ziyade, bir sistem içindeki değişimlerle tanımlanabileceğine dair ilk kontrollü deneysel kanıtı sunuyor. Kuantum kütleçekiminde zamanın doğasına dair yeni bir bakış açısı sağlıyor ve geleneksel zaman kadar etkili bir şekilde dinamiği tanımlamak için kullanılabilir."
Kuantum Kütleçekimini Laboratuvarda Test Etmek
Araştırmacılar ayrıca, kuantum mekaniğinin temel denklemi olan Schrödinger denkleminin bir versiyonunun entropik zaman kullanılarak ifade edilebileceğini buldu. Bu, bilim insanlarının zaman dış bir saat yerine iç değişimlerle tanımlandığında bile bir kuantum sisteminin "olasılık bulutunun" zaman içinde nasıl evrildiğini tahmin edebileceği anlamına geliyor.
Çalışma, fizikte uzun süredir devam eden bir sorunu ele alıyor. Eğer belirli teoriler doğruysa ve evrenin yerleşik bir saati yoksa, olaylar nasıl doğru sıraya konulabilir? Deney, cevabın sistemin kendi iç evriminde yatabileceğini gösteriyor.
Profesör Barontini, minyatür evrenin standart kuantum mekaniği yasalarını izlerken, normalde tüm evreni tanımlayan teorilere hapsolmuş zamanın doğasıyla ilgili fikirlerin kontrollü laboratuvar koşullarında test edilmesine olanak tanıdığını gösterdi.
Büyük Patlama ve Kara Delik Deneylerine Doğru
Mini evren, kuantum kozmolojisi ve kuantum kütleçekimindeki fikirleri test etmek için değerli bir deneysel platform sağlıyor. Bilim insanları artık yalnızca matematiksel modellere güvenmek yerine, erken evrenle ilgili kavramları laboratuvar deneyleriyle araştırabilecek.
Ekip, aynı yaklaşımın daha karmaşık kuantum sistemlerine de uygulanabileceğini ve Büyük Patlama, 'Büyük Çöküş', simüle edilmiş kara delikler ve zamanın nasıl ortaya çıktığına dair rakip teorileri keşfeden deneylerin önünü açabileceğini söylüyor.
