实验室造出“微型宇宙”揭开时间真相中国科学报

英国伯明翰大学物理学教授Giovanni Barontini搭建出一套“微型宇宙”，有望解答科学界最基础的问题之一：时间究竟是什么？近日，相关研究成果发表于《物理评论研究》。该研究证明，人类无需借助时钟，也能记录时间流逝。该研究提出一套模型：一种时间形态可从研究系统自身的演化行为中自然涌现。

包括惠勒—德维特方程在内的部分物理学理论提出，时间并非宇宙的基础固有属性。宇宙或许仅以单一恒定量子态存在，不存在演化，粒子同时具备波与粒子双重特性。在该理论框架下，不存在外部时钟，人们感知到的时间，诞生于系统各组分之间的关联。

为验证这一构想，Barontini利用一团24000颗超冷原子搭建封闭量子系统，借助两束不同频率激光制造一道薄屏障，束缚原子并将其分隔为可观测的“亮区”与不可观测的“暗区”。

伯明翰大学开展实验，捕获铷原子并将其冷却至接近绝对零度。图片来源：伯明翰大学

亮区反复膨胀、收缩，模拟大爆炸后发生大挤压的假想宇宙演化过程，即宇宙膨胀最终反向坍缩。由于事件序列可从系统内部信息还原，这套实验完全不需要外部时钟作为参照。

实验结果表明，时间并非独立存在的外部客观要素，而是能够从量子系统内部变化中衍生出来。

用于向原子发射激光的光学设备。图片来源：伯明翰大学

这套微型宇宙同时证实，时间可由熵产生，熵代表系统内粒子的分散程度与无序度。系统全程与外界隔绝，原子可在亮区、暗区之间自由迁移。

原子在亮区内外来回移动时，粒子分布状态随之改变。粒子分布无序度上升或下降时，系统等同于向前行进；若分布状态保持恒定，时间便近乎停滞。Barontini将该机制命名为“熵时间”。

Giovanni Barontini，身后是捕获、冷却铷原子的实验装置。图片来源：伯明翰大学

研究同时证明，量子力学核心方程之一薛定谔方程，可借助熵时间完成表述。借此，研究人员能够预测量子系统的“概率云”随时间演化的规律。

该研究回应了物理学界长期悬而未决的难题：如果部分宇宙理论体系本身不内置时钟，在没有外部时间标尺的情况下，事件如何区分先后顺序？

Barontini证实，这套系统依旧遵循标准量子物理定律。这意味着，以往仅停留在整体宇宙理论层面、关于时间本质的探讨，如今能够通过可控实验室实验开展研究。

该实验为量子宇宙学与引力相关理论搭建了重要试验平台，可在实验室环境下检验与早期宇宙相关的各类假说。

这套实验手段未来可拓展至更复杂系统，供科学家研究大爆炸与大挤压相关物理规律，也有望在实验室模拟黑洞，对比验证多种关于宇宙时间起源的对立理论。