物理学家创建微型量子「宇宙」：时间在没有时钟的情况下自然涌现
本文转载自ScienceDaily，原文链接：https://www.sciencedaily.com/releases/2026/07/260709160632.htm | 发表日期：2026-07-10
2026年7月9日，ScienceDaily报道——伯明翰大学的一位物理学家在实验室中创建了一个微型量子”宇宙”，这使科学家们朝着回答物理学中最大的问题之一迈出了重要一步：时间是什么？
发表在《Physical Review Research》期刊上的研究中，乔瓦尼·巴伦蒂尼（Giovanni Barontini）教授证明，可以不依赖时钟来测量时间的流逝。相反，实验表明，时间的一种形式可以从量子系统本身的行为中自然涌现。
为什么一些物理学家认为时间可能不是基础的
现代物理学的几种理论表明，时间可能不是宇宙固有的特征。一个例子是惠勒-德维特方程（Wheeler-DeWitt equation），它将宇宙描述为一个没有外部时钟的单一量子态。在这种图景中，粒子表现出波粒二象性，而我们所熟悉的时间流必须从系统不同部分之间的关系中产生，而非来自独立滴答作响的时钟。
为了在实验上研究这一想法，巴伦蒂尼教授创建了一个简化的量子”宇宙”，使用了一团由24,000个超冷原子组成的云团，冷却到仅比绝对零度高十亿分之几度。原子被密封在一个隔离系统中，并通过由两个不同频率的激光束产生的薄屏障分隔开。这产生了两个区域：一个被观测的”亮”区域和一个未被观测的”暗”区域。
拥有自身时间感的微型宇宙
在这个微型宇宙内部，”亮”区域反复膨胀和收缩，类似于简化版的”大爆炸”后跟随”大挤压”——一个宇宙膨胀最终逆转的假设事件。
由于系统完全隔离，研究人员仅使用微型宇宙内部的信息重建了事件的顺序，无需参考外部的实验室时钟。
结果表明，时间可以从量子系统内部发生的变化中产生，而不是作为一个独立存在的、始终向前推进的背景。
熵如何创造了时间
实验揭示，”时间”产生于原子在亮区和暗区之间移动时的无序度（熵）的变化。除了这种运动，系统与外部世界保持隔离。
随着亮区中粒子分布的增加或减少，系统实际上在时间中向前推进。当粒子分布停止变化时，时间本身实际上停止了。
巴伦蒂尼教授将这一概念称为”熵时间”。在实验中，这种形式的时间：
巴伦蒂尼教授说：”在宇宙的一些理论中，尤其是量子引力中，时间并不作为内置特征出现。然而在日常生活中，时间从过去流向未来——为什么会这样，而大多数基本物理定律在向前和向后的方向上都是相同的？”
“这项研究提供了第一个受控的实验证据，证明’时间’可以通过系统内部的变化来定义，而不是作为我们通常认为的时间的’外部滴答时钟’。它为量子引力中时间的本质提供了新的见解，可像传统时间一样有效地描述动力学。”
在实验室中测试量子引力
研究人员还发现，薛定谔方程（量子力学的基本方程）的一个版本可以用熵时间来表示。这意味着即使时间由内部变化而非外部时钟定义，科学家仍然可以预测量子系统的”概率云”如何随时间演化。
这项工作解决了物理学中的一个长期问题。如果某些理论是正确的，且宇宙没有内置时钟，那么事件如何被正确排序？实验表明，答案可能在于系统自身的内部演化。
巴伦蒂尼教授展示了微型宇宙遵循标准量子力学定律，同时允许关于时间本质的观念——通常仅限于描述整个宇宙的理论——在受控的实验室条件下进行测试。
迈向对大爆炸和黑洞的实验
微型宇宙为测试量子宇宙学和量子引力中的思想提供了一个宝贵的实验平台。科学家们现在可能不再仅仅依赖数学模型，而是能够通过实验室实验来研究早期宇宙的相关概念。
研究团队表示，同样的方法最终可以扩展到更复杂的量子系统，为探索大爆炸物理学、”大挤压”、模拟黑洞以及时间本身如何涌现的竞争性理论打开大门。
—— 原文出处：Physical Review Research / ScienceDaily · 转载自https://www.sciencedaily.com/releases/2026/07/260709160632.htm
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