Fizikçiler Küçük Bir Evren Yarattı ve Saat Olmadan Zamanın Belirdiğini İzledi

Binlerce atomu mutlak sıfıra neredeyse değmeyen sıcaklıklara soğutan Profesör Giovanni Barontini, zamanın dışsal bir saate güvenmeksizin ölçülebileceğini gösterdi. Bunun yerine, deneysel sistemdeki parçacıkların davranışından doğal bir biçimde ortaya çıkan bir zaman biçimi söz konusu.

Physical Review Research‘de yayımlanan bulgular, teoretik fiziğin dikkat çeken bir fikrine deneysel kanıt sağlıyor: Zaman gerçeğin ayrılmaz bir bileşeni olmayabilir. Evrenin kendisinde meydana gelen ilişkiler ve değişimlerden doğmuş olabilir.

Neden Bazı Fizikçiler Zamanın Temel Olmayabileceğini Düşünüyor

Zamanı genellikle etrafımızda ne olursa olsun sürekli ileriye doğru akan bir şey olarak düşünürüz. Saniyeler geçer, gezegenler yıldızlar etrafında döner ve evren evrilir. Ancak fiziğin bazı teorileri, zamanın en temel düzeyde çok farklı işleyebileğini öne sürüyor.

Bunlardan biri, kuantum mekaniğinin yerçekimiyle birleştirilmesine yönelik girişimlerde karşımıza çıkan Wheeler-DeWitt denklemidir. Bu çerçevede evren, zamanın geçişini işaretleyen dışsal bir saate sahip olmayan tek, değişmez bir kuantum durumu olarak tanımlanabilir. Kuantum parçacıkları hem dalga hem de parçacık benzeri özellikler sergileyebilir, ancak evren genelinde mutlaka yerleşik bir zaman değişkeni olmak zorunda değildir.

Bu büyük bir muammadır. Evrenin dışsal bir saati yoksa, bir şey belirli bir sırayla nasıl gerçekleşebilir? Hangi olayların önce hangilerinin sonra olduğunu ne belirler?

Bir olasılık, zamanın evrenin farklı bölümleri arasındaki değişen ilişkilerden doğmasıdır. Barontini, böyle bir sürecin laboratuvarda gözlemlenebileceğini araştırmak için bir deney tasarladı.

24.000 Atomla Küresel Bir Evren Yaratmak

Küresel evrenini kurmak için Barontini, mutlak sıfırdan yalnızca birkaç milyarlık derece kadar soğutulmuş yaklaşık 24.000 atomlu bir bulut kullandı. Bu olağanüstü düşük sıcaklıklarda kuantum etkileri özellikle önem kazanır ve araştırmacıların genellikle gözlemlemek zor olan davranışları incelemelerine olanak tanır.

Atomlar, çevrelerinden izole kalmak üzere tasarlanmış, özenle kontrol edilen bir kuantum sistemi içinde 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 olsa da, atomlar bu iki bölge arasında hareket edebiliyordu.

Parlak bölge, iki dramatik kozmolojik olayın sadeleştirilmiş versiyonlarını andıran tekrarlayan genişleme ve daralma döngüleri yaşadı. Genişleme, Büyük Patlama‘ya benzerken, daralma evrenin kozmolojik genişlemesinin sonunda tersine dönüp her şeyin içe doğru çöktiği varsayılan bir kader olan Büyük Çökme’ye benziyordu.

Deney, bu gerçek kozmolojik olayları yeniden canlandırmadı. Bunun yerine, araştırmacıların sistem dışındaki bir saate başvurmadan bir olay dizisinin nasıl yeniden inşa edilebileceğini inceleyebilecekleri sadeleştirilmiş bir kuantum modeli sundu.

Saat Olmadan Zamanın Ortaya Çıkışı

Deneyin anahtarı, parçacıkların ve enerjinin yayılması ya da düzensizliği ile ilişkilendirilen bir fizik kavramı olan entropiydi.

Barontini, saniye veya dakika kullanmak yerine, zamanı minyatik ev içindeki atomların dağılımındaki değişimler aracılığıyla izlemeyi başaran bir yöntem geliştirdi.

Atomlar parlak ve karanlık bölgeler arasında hareket ettikçe, parlak bölgedeki parçacıkların dağılımı değişti. Bu değişimler, parlak bölge genişleme ve daralma arasında gidip geldiğinde bile sistemin zaman içindeki ilerleyişini tanımlamaya olanak tanıdı.

Parçacık dağılımı yayılışı artıp azaldıkça sistem, bu içsel zaman ölçümüne göre ilerlemeye devam etti. Dağılım değişmediğinde ise bu özel zaman biçiminin ilerleyişi etkili bir şekilde durdu.

Önemlisi, bunun zamanın laboratuvarda gerçekten durduğu anlamına gelmedi. İlgili değişimler sistemden kaybolduğunda, içsel zaman ölçümünün ilerlemeyi sürdürmediği anlamına geldi.

Barontini, bu kavrama “entropik zaman” adını verdi. Deney, bu zaman biçiminin birkaç önemli özelliğe sahip olduğunu gösterdi. Tek bir yönde tutarlı bir şekilde ilerleyerek fizikçilerin “zaman oku” dediği şeyi, yani geçmiş ile gelecek arasındaki ayrımı ortaya koyuyor. Aynı zamanda mini evren genişleyip daralırken bile olayları doğru sıraya yerleştiriyor.

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

Fiziğin En Büyük Bulmacalarından Birine Yeni Bir İpucu

Profesör Barontini şunu söyledi: “Evren hakkında bazı teorilerde, özellikle kuantum yerçekiminde zaman, yerleşik bir özellik olarak ortaya çıkmaz. Ancak günlük yaşamda zaman geçmişten geleceğe akar — fizikin en temel yasaları ileri ve geri yönde aynı şekilde işlerken bu durum neden böyle?”

“Bu çalışma, ‘zaman’ın bir sistem içindeki değişimlerle tanımlanabileceğini, yani zaman dediğimiz dışsal ‘tik tak eden saate’ bağlı olmadığını gösteren ilk kontrollü deney kanıtını sağlıyor. Kuantum yerçekiminde zamanın doğası hakkında, konvansiyonel zaman kadar etkili biçimde dinamikleri tanımlamakta kullanılabilecek yeni bir içgörü sunuyor.”

Günlük zaman ile fizikin temel yasaları arasındaki ayrım özellikle önem taşıyor. Temel fizik denklemlerinin çoğu, zaman matematiksel olarak geriye çevrilsin veya ileri gitsin aynı ölçüde iyi çalışıyor. Oysa biz dünyanın deneyimi net bir yöne sahip: Geçmişi hatırlıyoruz, geleceği değil ve olaylar tanınabilir bir sırayla gerçekleşiyor.

Entropi, bu farkı açıklamada uzun süredir merkezî bir rol oynuyor. Barontini’nin deneyi, entropi değişimlerinin kontrollü bir kuantum sistemi içinde zamanın işletme ölçütünü nasıl sağlayabileceğini göstererek bu bağıntıyı daha ileri taşıyor.

Bulgular, yalnızca olayları doğru sıraya yerleştirmeyle sınırlı kalmıyor.

Barontini, kuantum mekaniğının temel denklemlerinden biri olan Schrödinger denkleminin süratli zaman kullanılarak ifade edilebileceğini gösterdi. Bu denklem, bir sistemin kuantum durumunun nasıl evrildiğini, parçacıkların belirli konumlarda veya durumlarda bulunma olasılığında meydana gelen değişimleri de dahil ederek açıklar.

Yani, içeriden üretilen zaman ölçümü, kuantum sisteminin davranışı hakkında tahminlerde bulunmak için kullanılabilecek; tıpkı standart kuantum mekaniğinde geleneksel zamanın kullanılması gibi.

Küçük bir evren Büyük Patlama’nı açıklamaya yardımcı olabilir mi?

Onlarca yıldır, zamanın kökeni ve temel doğasıyla ilgili sorular büyük ölçüde kuramsal fiziğe, özellikle de kuantum kozmolojisine ve kuantum yerçekimine aitti. Bu alanlar, kuantum etkileri ve yerçekiminin birlikte düşünülmesi gerektiği durumlarda—erken evrenle ilişkilendirilen aşırı koşullar da dahil olmak üzere—evrenin nasıl davrandığını anlamaya çalışır.

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

Miniyatür evren, evrimini betimlemenin farklı bir yolunu sunarken aynı zamanda kuantum fiziğinin yerleşik denklemlerine uymaya devam etti. Bu da onu, zamanın incelenen sistemden bağımsız olarak var olduğunu varsaymayan kuramlar için potansiyel olarak değerli bir deney alanı haline getiriyor.

Gelecek deneyler bu yaklaşımı daha karmaşık kuantum sistemlerine genişletebilir ve araştırmacıların Büyük Patlama ile Büyük Çökme modellerini daha ayrıntılı şekilde keşfetmelerine olanak tanıyabilir. Benzer teknikler, nihayetinde kara deliklerin bazı yönlerini simüle etmeye veya zamanın nasıl ortaya çıktığına dair rekabet eden açıklamaları birbirinden ayırmaya yardımcı olabilir.

Deney, zamanın bir yanılsama olduğunu kanıtlamaz veya evrenimizin temel bir zamana sahip olmadığını göstermez. Bunun yerine, daha önce test edilmesi zor olan bir şeyi kanıtlar: Bir kuantum sistem, dışarıdan bir saate dayanmadan anlamlı bir iç zaman ölçümüne sahip olabilir.

Yalnızca 24.000 atomdan bir minik evren oluşturarak araştırmacılar, fizikçileri ve filozofları yüzyıllardır uğraştıran bir soruyu araştırmak için yeni bir deney aracı kazandı: Zamanın akmasını ne sağlar?