Naukowcy z Wielkiej Brytanii zbudowali laboratoryjny model wszechświata złożony z ultrazimnych atomów i pokazali, że upływ czasu może wyłaniać się jako skutek zmian zachodzących wewnątrz układu. Wyniki nie dowodzą, że tak funkcjonuje cały kosmos, ale wspierają hipotezę rozwijaną przez fizyków od niemal stu lat, że czas może nie być podstawową cechą rzeczywistości

Czas wydaje się czymś oczywistym. Mierzymy go zegarkami, planujemy według niego dzień i obserwujemy jego skutki wszędzie wokół siebie. A jednak fizycy od dziesięcioleci zadają pytanie, które brzmi zaskakująco: czy czas jest fundamentalną cechą Wszechświata, czy też pojawia się dopiero wtedy, gdy zachodzą w nim zmiany?

Pytanie to wiąże się z jednym z największych problemów współczesnej fizyki. Naukowcy potrafią bardzo dokładnie opisywać świat atomów za pomocą mechaniki kwantowej i równie skutecznie wyjaśniać działanie grawitacji w skali gwiazd oraz galaktyk. Wciąż jednak nie udało się połączyć tych dwóch teorii w jeden spójny obraz rzeczywistości.

Niektóre propozycje takiej teorii zakładają, że na najbardziej fundamentalnym poziomie rzeczywistości czas w ogóle nie istnieje. Miałby wyłaniać się dopiero jako efekt bardziej złożonych procesów zachodzących pomiędzy elementami Wszechświata.

Nad tym problemem zastanawiał się Giovanni Barontini z University of Birmingham. Jak opowiadał magazynowi „New Scientist”, inspiracją była obserwacja jego sześcioletniego syna bawiącego się w budowanie własnego świata. „Budował swój własny mały wszechświat, a ja pomyślałem, że właściwie dokładnie to samo robimy w laboratorium, gdy tworzymy układy ultrazimnych atomów” – mówił fizyk, dodając: „Potem zacząłem myśleć, że taki wszechświat jest dość nudny, bo niewiele się w nim dzieje. A jeśli nic się nie dzieje, to tak jakby czas nie płynął”.

Mały wszechświat w laboratorium

Aby sprawdzić, czy poczucie upływu czasu może pojawić się samo dzięki zachodzącym zmianom, badacze schłodzili około 20 tys. atomów rubidu do temperatury bliskiej zeru absolutnemu. W takich warunkach ruch atomów niemal zamiera, a ich zachowanie można obserwować z wyjątkową precyzją.

Naukowcy podzielili następnie układ na dwie części nazwane umownie „jasną” i „ciemną”, nawiązując do zwykłej i ciemnej materii. Początkowo pozostawał on niemal niezmienny. Dopiero gdy za pomocą laserów umożliwiono atomom przemieszczanie się między obiema częściami, zaczął ewoluować.

Zmianom tym towarzyszył wzrost entropii, czyli miary nieuporządkowania. To pojęcie odgrywa szczególną rolę w fizyce czasu. W naszym codziennym doświadczeniu wiele procesów przebiega tylko w jednym kierunku: kostka lodu topnieje, gorąca kawa stygnie, a rozbite szkło nie składa się samo z powrotem. Właśnie dlatego entropię często uznaje się za źródło tzw. strzałki czasu, pozwalającej odróżnić przeszłość od przyszłości.

Badacze wykazali, że obserwując te zmiany, można opisać ewolucję całego układu. Innymi słowy, czas nie został wcześniej „wbudowany” w model. Wyłonił się jako rezultat oddziaływań zachodzących pomiędzy jego częściami.

Pomysł znany od niemal stu lat

Idea, że czas może wyłaniać się z relacji między obiektami kwantowymi, nie jest nowa. Już w latach 30. XX w. zaproponował ją brytyjski fizyk Nevill Mott. Przez dziesięciolecia pozostawała jednak przede wszystkim rozważaniem teoretycznym. Dopiero w 2013 r. zespół kierowany przez Marco Genovese przeprowadził eksperyment wykorzystujący splątane fotony, który pokazał, że taki scenariusz jest możliwy. Nowe badanie idzie krok dalej, ponieważ wykorzystuje bardziej złożony układ i pozwala śledzić jego ewolucję.

„Obecna praca rozwija ten pomysł i stanowi znaczący postęp” – ocenia Genovese. Podkreśla, że po raz pierwszy udało się opisać ewolucję takiego układu przy użyciu czasu wyznaczanego przez procesy zachodzące wewnątrz niego.

Nie wszyscy fizycy są jednak przekonani, że podobne doświadczenia pozwolą szybko rozwiązać zagadkę czasu. Claus Kiefer z University of Cologne zwraca uwagę, że laboratoryjny model jest znacznie prostszy od rzeczywistego Wszechświata. Atomy tworzące eksperymentalny układ nie oddziałują ze sobą w tak złożony sposób, jak materia i energia w kosmosie. Z kolei Carlo Rovelli z Aix-Marseille University uważa, że takie eksperymenty nie odkrywają nowych praw przyrody, lecz pozwalają badać znane idee w warunkach, które można kontrolować i wielokrotnie powtarzać.

Sam Barontini podkreśla, że jego zespół nie dowiódł, iż czas jest iluzją. Pokazał jedynie, że możliwy jest model wszechświata, w którym upływ czasu nie istnieje od początku, lecz wyłania się jako rezultat zachodzących zmian. Kolejnym krokiem mają być eksperymenty przypominające bardziej złożone obiekty kosmiczne, m.in. czarne dziury.

Źródła:

• Karmela Padavic-Callaghan, Toy universe shows that time could be a quantum illusion, New Scientist, 11 czerwca 2026.
• G. Barontini i współpracownicy, Physical Review Research (2026), DOI: 10.1103/1h9j-df4k.

• Nauki ścisłe i nauki o Ziemi