おもちゃの世界は、時間が量子の幻想である可能性があることを示しています

時間の経過は、宇宙のさまざまな部分間の量子相互作用から生じる幻想にすぎないのかもしれません。少なくとも、これは宇宙のおもちゃの模型では当てはまります。この実験は、私たちの宇宙の時間の性質についての手がかりを提供するかもしれません。

英国バーミンガム大学のジョバンニ・バロンティーニさんは、6歳の息子のプレーを見ながら時間について考え始めた。 「彼は独自の小さな宇宙を構築しました。これは多かれ少なかれ私たちの研究室でも極度に冷たい原子の系を構築するときに行っていることと同じだと思いました」と彼は言う。 「しかしその後、この宇宙はとても退屈だと思うようになりました。なぜなら、そこではあまり何も起こらず、何も起こらなければ時間が過ぎていくようなものだからです。」

このような系において時間が本当に幻想であるかどうかを調査するために、バロンティーニはレーザーと電磁力を使用して約 20,000 個のルビジウム原子を絶対零度に近い温度まで冷却しました。彼は、このおもちゃの宇宙の原子を 2 つの領域に分割し、一方は「光」、もう一方は「暗黒」とラベル付けされました。これは、暗黒物質との類推によります。

この原初の宇宙は本質的に永遠で不変でしたが、バロンティーニはレーザーを使用して 2 つのセクターを誘導し、原子を交換し、量子レベルで相互作用しました。これにより、宇宙のエントロピー、つまり無秩序が変化し、私たちの宇宙では時間がエントロピーが増大する方向に流れていることがわかっています。その結果、ブロンティーニはおもちゃの世界の内部時間を定義することができました。さらに、量子系がどのように進化するかを説明するシュレーディンガー方程式のこの新しい時間を使用して、原子の量子状態を計算し、それが実験結果と一致することを発見できます。

この時間の見方は、所与のものではなく、量子の相関や相互作用から生じるという前例があります。原子物理学では、この考え方は 1930 年代に物理学者のネビル モットによって初めて導入され、それ以来理論的に研究されてきました。イタリア国立計量研究所のマルコ・ジェノベーゼ氏とその同僚らが、絡み合った光粒子を使った実験でその実現可能性を初めて証明したのは、2013年のことだった。ここでも、時間の感覚は量子相関から生まれました。

「現在の研究では、このアイデアをさらに拡張し、いくつかの重要な進歩を遂げています」とジェノベーゼ氏は言います。特に、冷たい原子宇宙は光によって作られた宇宙よりも複雑であり、バロンティーニは、これまで実現できなかったシュレーディンガー方程式を系の内部時間で機能させることができました。

ドイツのケルン大学のクラウス・キーファー氏は、このおもちゃの宇宙実験は、重力理論と量子理論を、あらゆる規模の宇宙に適用できる単一の枠組みにどのように組み合わせるかという、より大きな問題につながっていると述べています。その疑問はまだ解決されていないが、一部の物理学者は、そのような理論は最も基本的なレベルで時間が存在しないことによって特徴づけられるだろうと示唆している、と彼は言う。新しい実験はこの状況を模倣しているが、違いもあるとキーファー氏は言う。例えば、極低温の原子がセクター間を移動するとき、より大きな宇宙で期待されるような複雑な相互作用はしない。

しかし、フランスのエクス・マルセイユ大学のカルロ・ロベッリ氏は、この種の実験は、私たちがすでに理解している物理学に基づいて構築されているため、時間について新しいことを明らかにすることはできないと述べています。しかし、未解決の大きな問題を模倣するだけでも、量子重力というとらえどころのないことで悪名高いテーマと同じように、未知の物理学に取り組む方法についてのインスピレーションが得られるかもしれない、と彼は言う。

バロンティーニにとって、この新しい研究は、長い間存在していたアイデアを実験的に確認するものであり、したがって、それらがまったく議論の余地のないものではないことを証明するものである。しかし、これは時間のどのようなスケールにおいても実際にそのように機能するということを裏付けるものではないと彼は言う。

ブロンティーニ氏によると、実験室で作られたおもちゃのモデルではなく宇宙全体を研究する宇宙学者は、この研究に反対する可能性が高いという。しかし、彼は、たとえばレーザーを使用して、ブラックホールの引力と同様に、原子がそこから離れることができない領域を作成することによって、超低温のミニバーを研究したいと考えています。