Mis siis, kui aeg ei olegi universumi lahutamatu osa, vaid tekib alles siis, kui midagi muutub? See küsimus on füüsikuid ja filosoofe vaevanud juba sajandeid. Nüüd on Suurbritannia teadlane loonud laboris 24 000 aatomist koosneva miniatuurse universumi, kus õnnestus näidata aja kulgemist ilma välise kellata. Avastus võib aidata mõista üht füüsika suurimat mõistatust – mis on aeg ja miks see üldse olemas on, kirjutab ScienceDaily.
Meie igapäevaelus tundub aeg midagi täiesti enesestmõistetavat. Sekundid mööduvad, päevad vahelduvad öödega ning aastad lähevad üksteise järel. Me vananeme, planeedid tiirlevad ümber tähtede ja universum paisub pidevalt.
Kuid füüsikute jaoks ei ole aeg sugugi nii lihtne nähtus.
Mõned tänapäevased teooriad viitavad võimalusele, et kõige fundamentaalsemal tasandil ei pruugigi aeg eksisteerida sellisel kujul, nagu meie seda tunneme.
Selle asemel võib aeg tekkida universumis toimuvate muutuste ja osakeste omavaheliste seoste tulemusena.
Birminghami ülikooli füüsikaprofessor Giovanni Barontini otsustas seda võimalust laboris katsetada.
Teadlased lõid 24 000 aatomist miniatuurse universumi
Eksperimendi läbiviimiseks kasutas professor Barontini ligikaudu 24 000 aatomit, mis jahutati vaid mõne miljardiku kraadini absoluutsest nullist.
Absoluutne null asub temperatuuril −273,15 °C ning on madalaim teoreetiliselt võimalik temperatuur.
Niivõrd madalatel temperatuuridel muutuvad aatomite kvantomadused eriti hästi uuritavaks.
Teadlane paigutas aatomid hoolikalt kontrollitud süsteemi, mis oli väliskeskkonna mõjudest võimalikult hästi isoleeritud.
Seejärel jaotati süsteem kahe laserkiire abil tinglikult kaheks piirkonnaks – nähtavaks ehk heledaks ja mittenähtavaks ehk tumedaks osaks.
Aatomid said nende piirkondade vahel liikuda, kuigi süsteem tervikuna jäi väliskeskkonnast eraldatuks.
Kõige huvitavam oli aga see, mis edasi juhtus.
Heledaks nimetatud piirkond hakkas korduvalt paisuma ja kokku tõmbuma.
See meenutas lihtsustatud kujul universumi Suurt Pauku ja hüpoteetilist Suurt Kokkuvarisemist, mille korral universumi paisumine võiks kunagi pöörduda vastupidiseks.
Tegemist ei olnud päris universumi ega Suure Paugu taasloomisega, vaid nende protsesside teatud omadusi jäljendava kvantfüüsikalise mudeliga.
Aeg tekkis ilma kellata
Eksperimendi kõige tähelepanuväärsem osa oli seotud sellega, kuidas teadlane suutis süsteemis toimuvate sündmuste järjekorda määrata.
Tavaliselt mõõdame aega välise kella abil. Olgu selleks käekell, aatomkell või Maa pöörlemisel põhinev ajamõõtmine.
Kuid Barontini katsetas teistsugust lähenemist.
Ta kasutas aja mõõtmiseks aatomite jaotuse muutumist süsteemi sees.
Kui aatomid liikusid ühest piirkonnast teise ning nende jaotus muutus, oli võimalik kirjeldada süsteemi arengut ilma välise kella näidule toetumata.
Seda nimetatakse entroopiliseks ajaks.
Entroopia on füüsikaline suurus, mis on seotud süsteemi võimalike mikroskoopiliste olekute ja energia jaotumisega.
Eksperiment näitas, et nende muutuste põhjal saab määratleda sisemise ajamõõdu, mis võimaldab sündmused õigesse järjekorda paigutada.
Veelgi üllatavam oli asjaolu, et selline aeg ei kulgenud alati ühesuguse kiirusega.
Selle kulgemise kiirus sõltus sellest, kuidas süsteemis olevate aatomite jaotus muutus.
Kas aeg võib ka seisma jääda?
Katse käigus ilmnes veel üks iseäranis kummaline omadus.
Kui aatomite jaotus süsteemis enam ei muutunud, lakkas ka teadlase kasutatud sisemine ajamõõt edasi liikumast.
Teisisõnu jäi selle süsteemi seisukohalt entroopiline aeg justkui seisma.
See ei tähenda siiski, et aeg laboris päriselt peatunuks või et teadlastel oleks õnnestunud luua ajas seisma jäänud piirkond.
Eksperimendis lakkas edasi liikumast üks kindlal füüsikalisel muutusel põhinev ajamõõt.
Ometi on tulemus oluline, sest see näitab, et aja kirjeldamiseks ei pruugi alati vaja minna süsteemist sõltumatut välist kella.
Miks liigub aeg ainult ühes suunas?
Üks füüsika suuremaid mõistatusi on küsimus, miks meie kogemuses liigub aeg alati minevikust tulevikku.
Me mäletame eilset päeva, kuid mitte homset.
Purunenud klaas ei lähe iseenesest tagasi terveks ning jahtunud kohv ei muutu ilma välise energiaallikata taas kuumaks.
Samas toimivad paljud füüsika põhivõrrandid matemaatiliselt ka siis, kui aja suund ümber pöörata.
Kust tuleb siis erinevus mineviku ja tuleviku vahel?
Üheks oluliseks seletuseks peetakse entroopiat.
Suletud süsteemides kipub entroopia statistiliselt kasvama. See aitab selgitada, miks paljud igapäevased protsessid kulgevad eelistatult ainult ühes suunas.
Barontini eksperiment näitas, et entroopiaga seotud muutuste põhjal saab luua ajamõõdu, mis säilitab sündmuste õige järjestuse isegi siis, kui katse süsteem vaheldumisi paisub ja kokku tõmbub.
See annab teadlastele uue võimaluse uurida, kuidas võiks aja suund tekkida füüsikaliste protsesside tulemusena.
Kas meie universumis polegi aega olemas?
Siinkohal muutub avastus eriti põnevaks.
Mõned kvantgravitatsiooni teooriad kirjeldavad universumit viisil, kus tavapärane aeg ei esine põhivõrrandites iseseisva muutujana.
Üks tuntumaid näiteid on Wheeler–DeWitti võrrand, mis on seotud katsetega ühendada kvantmehaanikat ja gravitatsiooni.
Sellises käsitluses võiks universumi tervikuna kirjeldada ilma välise kellata.
See tekitab aga paradoksi.
Kui universumil puudub väline kell, kuidas saab selles midagi muutuda?
Üks võimalik vastus on, et aeg tekib universumi erinevate osade omavaheliste muutuste kaudu.
Just sellist võimalust Barontini katse uuriski.
Tema loodud süsteemis sai kvantfüüsikalisi protsesse edukalt kirjeldada sisemiselt määratletud aja abil.
Teadlane näitas ka, et kvantmehaanika keskset Schrödingeri võrrandit on võimalik sellise ajamõõdu abil ümber sõnastada.
See tähendab, et sisemiselt määratletud aega saab kasutada mitte ainult sündmuste järjestamiseks, vaid ka kvantsüsteemi edasise käitumise kirjeldamiseks.
Kas see muudab meie arusaama reaalsusest?
Avastus ei tõesta, et aeg on illusioon.
Samuti ei tähenda see, et minevik, olevik ja tulevik oleksid tegelikult üks ja seesama või et inimene võiks vabalt ajas edasi-tagasi liikuda.
Küll aga näitab eksperiment, et aja määratlemiseks on olemas teistsuguseid võimalusi, kui oleme harjunud igapäevaelus kasutama.
Teadlaste jaoks on see eriti oluline kvantgravitatsiooni uurimisel, sest seal püütakse mõista, kuidas sobivad kokku kaks tänapäeva füüsika alustala – kvantmehaanika ja Einsteini üldrelatiivsusteooria.
Tulevikus võivad samalaadsed katsed aidata uurida universumi varajasi arenguetappe, mustade aukude füüsikat ning võimalikke teooriaid, mis kirjeldavad aja tekkimist.
Üks universumi suurimaid saladusi püsib
Professor Barontini sõnul annab uuring esimese kontrollitud eksperimentaalse tõendusmaterjali selle kohta, et aega saab määratleda süsteemi sees toimuvate muutuste kaudu, kasutamata tavapärast välist kella.
See on oluline samm küsimuse lahendamisel, mille üle on arutlenud nii antiikaja filosoofid kui ka tänapäeva maailma tuntumad füüsikud.
Kas aeg eksisteeris juba enne universumi sündi? Kas see tekkis koos Suure Pauguga? Või on aeg hoopis nähtus, mis sünnib siis, kui universumis hakkab midagi muutuma?
Neile küsimustele pole veel lõplikke vastuseid.
Üks on aga kindel: 24 000 aatomiga tehtud laborikatse näitas, et aja kirjeldamiseks ei pruugi vaja minna universumist väljaspool asuvat kella. Ja see võib muuta viisi, kuidas füüsikud üht looduse kõige salapärasemat nähtust uurivad.
