时间是什么？如果没有钟，它还存在吗？

伯明翰大学物理学教授乔瓦尼·巴龙蒂尼用2.4万个超冷原子造了一个“小宇宙”，验证时间可脱离外部时钟自行涌现。

▲巴龙蒂尼操作实验装置，捕获和冷却铷原子

当地时间7月9日学界消息称，英国伯明翰大学物理学教授乔瓦尼·巴龙蒂尼领导完成的一项实验显示，在一个与外界完全隔绝的量子系统内部，“时间”可以在没有任何外部时钟参照的情况下自行涌现。论文于近期发表在期刊《物理评论研究》。

实验的理论出发点是量子引力领域的惠勒-德维特方程。

这一理论认为，宇宙在最深层次上并不存在内置的时间，而是作为一个不变的单一量子态存在。如果整个宇宙就是研究对象本身，那么任何“时间感”都只能从系统内部各部分的相对关系中产生，而不能借助系统之外的钟表。

为验证这一设想，巴龙蒂尼用一团2.4万个铷原子构建了一个完全密封的量子系统，模拟一个简化版的“宇宙”。这些原子先在磁光阱中被捕获、冷却至约0.0001度（约万分之一度），高于绝对零度，随后进一步冷却到仅高出绝对零度几十亿分之一度。

▲玻璃腔内的超冷原子云是造“小宇宙”的关键一步

两束不同频率的激光在原子云中间形成一道薄屏障，把系统分为可观测的“明区”和不可观测的“暗区”，原子可以在两区之间流动，但整个系统与外部实验室时钟没有任何联系。

实验中，“明区”反复经历膨胀与收缩，类似大爆炸后接上一场大坍缩（指宇宙膨胀最终反转的假设情形）。

巴龙蒂尼没有依赖任何外部计时，而是追踪“明区”原子分布的熵，也就是原子散布的无序程度。当熵发生变化，系统就被认为“向前推进了时间”；当原子分布不再变化，这套内部时间就停止流动。巴龙蒂尼将这一构造出的时间参量称为“熵时间”（entropic time）。

数据显示，“熵时间”具备三个特征：第一，始终朝一个方向流动，给出明确的时间箭头；第二，即便系统本身处于膨胀收缩的动态之中，也能给事件排出正确的先后顺序；第三，流动速度会随熵变化的快慢而加速或减速。

研究同时证明，量子力学的核心方程薛定谔方程可以用这种“熵时间”改写，依然能准确描述量子系统概率分布随时间的演化。

巴龙蒂尼在新闻稿中表示：“在一些关于宇宙的理论中，尤其是量子引力理论里，时间并不是一个内置的特征。可日常生活中，时间总是从过去流向未来，明明大多数基础物理定律正着走、反着走都成立，为什么会这样？”

他补充说：“这项研究首次提供了受控的实验证据，显示时间可以由系统内部的变化来定义，而不是我们通常理解的那种外部滴答作响的钟。它为量子引力中时间的本质提供了新的视角，这种描述方式和传统时间概念一样有效。”

研究团队表示，这一实验为量子宇宙学和量子引力理论提供了一个可在实验室复现的测试平台。下一步的方向包括把这套装置扩展到更复杂的系统，用以探究大爆炸和大坍缩阶段的物理过程，甚至尝试在实验室模拟黑洞。