Saatsiz bir mini evren: Zaman sistemin içinden doğabilir mi?

Zaman, gerçekliğin en temel özelliği gibi görünür: Saniyeler akar, günler geçer, her şey geçmişten geleceğe doğru tek yönde ilerler. Oysa fiziğin bazı kuramlarında zaman evrenin içine yerleşik bir özellik değil. Birleşik Krallık'taki Birmingham Üniversitesi'nden Prof. Giovanni Barontini, Physical Review Research'te yayımlanan çalışmasında bu fikri laboratuvara taşıdı. Ultra soğuk atomlardan kurduğu bir "mini evrende", hiçbir saat kullanmadan zamanın akışını ölçmenin mümkün olduğunu gösterdi. Deneyde zaman, dışarıdan işleyen bir sayaç olarak değil, sistemin kendi içindeki değişimlerden doğan bir nicelik olarak beliriyor.

Fiziğin "zaman sorunu"

Genel görelilikte zaman, uzayla iç içe geçmiş esnek bir boyuttur; kuantum mekaniğinde ise sistemlerin evrimini izleyen, dışarıdan verilmiş bir parametredir. İki kuramı birleştirme girişimlerinde bu fark ciddi bir soruna dönüşür. 1960'larda türetilen Wheeler-DeWitt denklemi, evrenin bütünü için yazıldığında zamanın denklemden tamamen kaybolduğunu gösterir. Bu yaklaşıma göre evren en derin düzeyde değişmeyen tek bir kuantum durumudur; dışarıda onu ölçecek bir saat yoktur ve "önce" ile "sonra" duygusu ancak evrenin parçaları arasındaki ilişkilerden doğabilir.

Bu fikir uzun süre yalnızca kâğıt üzerinde tartışıldı. Evrenin tamamını dışarıdan gözlemlemek mümkün olmadığı için, zamanın içeriden nasıl ortaya çıkabileceğini deneysel olarak sınamak da imkânsız görünüyordu.

24 bin atomluk kapalı bir evren

Barontini, mutlak sıfırın yalnızca milyarda birkaç derece üzerine kadar soğutulmuş yaklaşık 24.000 atomdan oluşan bir bulut kullandı. Bu sıcaklıklarda atomlar kuantum davranışlarını açıkça sergiler; dalga ve parçacık özelliklerini birlikte gösterirler. Atomlar, farklı frekanslardaki iki lazer ışınının oluşturduğu ince bir bariyerle ikiye ayrıldı: gözlenen "aydınlık" bölge ve gözlenmeyen "karanlık" bölge. Atomlar iki bölge arasında geçiş yapabiliyordu, ancak sistem bir bütün olarak dış dünyadan yalıtılmıştı.

Aydınlık bölge tekrar tekrar genişleyip büzülüyordu. Bu davranış, evrenin doğduğu Büyük Patlama'yı ve genişlemenin bir gün tersine dönerek evrenin çökeceği varsayımsal Büyük Çöküş senaryosunu andırıyordu. Önemli olan, olayların sırasının laboratuvarın saatine hiç başvurmadan, mini evrenin kendi içinden yeniden kurulabilmesiydi.

Entropik zaman

Deneyde zamanın ölçüsü, atomların dağılımındaki düzensizlik, yani entropi oldu. Atomlar aydınlık bölgeye girip çıktıkça bu bölgedeki dağılım değişti. Dağılım değiştiğinde sistem "zamanda ilerliyor" sayıldı; değişmediğinde ise zaman fiilen durdu. Barontini bu tanıma entropik zaman adını verdi.

• Çalışma, zamanın bir sistemin dışındaki bir saatle değil, sistem içindeki değişimlerle tanımlanabileceğine dair ilk kontrollü deneysel kanıtı sunuyor.
• Kuantum mekaniğinin temel denklemi olan Schrödinger denkleminin bir versiyonu, entropik zaman kullanılarak da yazılabiliyor.
• Bu sayede bir kuantum sisteminin "olasılık bulutunun" nasıl değişeceği, geleneksel zaman kadar etkili biçimde öngörülebiliyor.

Barontini, kuantum kütleçekimi kuramlarının bazılarında zamanın yerleşik bir özellik olarak görünmediğini hatırlatıyor ve şu soruyu soruyor: Fiziğin temel yasalarının çoğu ileri ve geri yönde aynı işlerken gündelik hayatta zaman neden geçmişten geleceğe akıyor? Entropiye dayalı tanım, bu sorunun yanıtını sistemin kendi iç düzensizliğinde arıyor.

Mutlak sıfıra çok yakın sıcaklıklarda atomların ısıl hareketi neredeyse tamamen durur ve kuantum etkileri, normalde karşılaşılmayan ölçeklerde görünür hâle gelir. Lazerlerle atomlar tek tek değil, bir bütün olarak hassasiyetle yönlendirilebilir; ışık bariyerlerinin yüksekliği ve konumu ayarlanarak sistemin kuralları deneyci tarafından belirlenebilir. Bu kontrol düzeyi, bir evren modelinin yalnızca en temel bileşenlerini bırakıp geri kalanını dışarıda tutmayı mümkün kılıyor. Barontini'nin kurduğu düzende atomların tutulduğu ilk aşama, mutlak sıfırın yaklaşık on binde bir derece üzerindeki bir manyeto-optik tuzak; mini evrenin kendisi ise bundan çok daha soğuk bir ortamda oluşturuluyor.

Laboratuvarda kozmoloji

Deneyin asıl değeri, normalde yalnızca evrenin bütünü hakkındaki kuramlarda tartışılan derin soruların kontrollü bir ortamda sınanabileceğini göstermesi. Ultra soğuk atomlar, zaten kara delik benzeri ortamları ve erken evrenin bazı süreçlerini taklit etmek için kullanılan esnek bir araç. Barontini, yaklaşımın daha karmaşık sistemlere genişletilebileceğini, böylece Büyük Patlama ve Büyük Çöküş fiziğinin, kara deliklerin ve zamanın nasıl ortaya çıktığına dair rakip kuramların laboratuvarda incelenebileceğini belirtiyor.

Bu sonuç evrenin gerçekten zamansız olduğunu kanıtlamıyor. Mini evren, kozmosun basitleştirilmiş bir benzetimi. Yine de zamanı bir sistemin içinden tanımlamanın tutarlı ve işe yarar olduğunu göstermek, kuantum kütleçekimi araştırmalarına somut bir deney zemini kazandırıyor. Zamanın ne olduğu sorusu yanıtsız kalmaya devam ediyor; ancak artık yalnızca filozofların ve kuramcıların değil, deneycilerin de masasında.