迷你宇宙里,科学家第一次观察到时间"诞生"

生活里，我们对时间的感知，是钟表里不断跳动的数字，它从过去流向未来，昼夜不息。但在物理学的最深处，时间的本质一直是个谜。

大多数基本物理定律具有“时间对称”特性：从过去或未来这两端算起都成立。既然如此，为何我们经历的时间只朝一个方向流动？作为试图统一广义相对论和量子力学的核心方程之一，惠勒-德威特（Wheeler-DeWitt）方程认为，宇宙以一个单一不变的量子态存在，没有内置时间。

难道宇宙的底层真的没有时间？如果是这样，我们感知到的时间又从哪里来？为回答这些疑问，物理学家给出了一种理论猜想：时间是从系统内各部分的关系中“涌现”出来的，不属于宇宙的基本特征。近日，英国伯明翰大学（University of Birmingham）的乔瓦尼·巴龙蒂尼（Giovanni Barontini）教授建立了一个“迷你宇宙”，验证了这一此前从未得到证实的假设，并将独作成果发表在《物理评论研究》（Physical Review Research）。

没有时钟的宇宙方程

1967 年，美国物理学家布莱斯·德威特（Bryce DeWitt）将广义相对论的哈密顿约束量子化，得到了一个简洁的方程：Ĥψ = 0，这就是惠勒-德威特（WDW）方程，它描述了宇宙整体的波函数。但令人困惑的是，其中不包括任何用来排列事件先后顺序的外部参数。按照这一方程，如果把宇宙作为一个整体，量子力学习以为常的"时间演化"语言就失效了。

从牛顿力学到量子力学再到广义相对论，几乎所有基本方程都不区分时间的方向，除了热力学第二定律。该定律认为，粗粒化熵总是增加，对此，一个常见的解释是“过去假说”，即宇宙起源于一个极低熵的宏观态。而在 WDW 的描述中，宇宙整体处于纯态，精细熵守恒，这似乎与可观测的熵增长之间产生了矛盾。

为将时间引入没有外部时钟的框架，过去几十年间，理论物理学界发展出多种策略。其中一种较常见的思路是迷你超空间（minisuperspace）模型。它假设，宇宙在大尺度上完全均匀且各向同性，将描述整个宇宙的无穷变量减至一两个，再定义其中一个动力学变量为“时钟”，其他变量相对它演化。最终让 WDW 方程变成一个可以真正求解的问题。这类将系统内部组分关系设为时间的构造，被统称为关系性时间（relational time）。不过，受限于实验条件，这些假设一直缺乏直接检验。

近年来，冷原子平台已经被证明是一种强大的量子模拟器，把原本属于高能物理与宇宙学的概念搬进了桌面实验台。以色列理工学院的杰夫·斯坦因豪尔（Jeff Steinhauer）团队在玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC）中观察到了类比霍金辐射；美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究者用快速膨胀的环形凝聚体模拟了弗里德曼-罗伯逊-沃克宇宙；可编程的里德堡原子阵列和囚禁离子已展示了类似弦断裂的过程；超冷气体中也观测到了假真空衰变中的气泡成核现象。

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在这项研究中，乔瓦尼第一次让时间问题成为直接对象，利用冷原子平台开展了一系列实验。

在迷你宇宙中观察时间如何产生

乔瓦尼设计了一台玻色-爱因斯坦凝聚体装置，其中包含了大约 2.4 万个铷-87 原子，在接近绝对零度的低温下，它们凝聚成共同的量子态，组成可被整体研究的“量子云”。在两束波长分别为 1,070 纳米和 1,550 纳米的激光交叉囚禁下，量子云可在无摩擦的光学碗中沿同一方向来回振荡。

在正中央，研究者用数字微镜器件（DMD）调制出一束 675 纳米的激光，使系统被一道宽约 8 微米的薄势垒隔为两半。势垒以下的部分是不被直接观测的“暗区”，势垒以上是“亮区”。在大约 100 毫秒的观测时间内，整个装置没有可测的耗散或粒子损失，乔瓦尼造出了一个哈密顿量不随时间变化的封闭系统，这正是与 WDW 框架进行类比的必要条件。

通过调节势垒高度，研究者可以控制原子在两个区域之间的交换。当原子从暗区涌入亮区时，亮区发生了“大爆炸”；原子回流回暗区、亮区收缩消失的现象则被称为“大坍缩”。在合适的势垒高度下，亮区可以反复循环“诞生-膨胀-收缩-消亡”的过程。

乔瓦尼证明，亮区的物理行为，在数学结构上与 WDW 框架下的 minisuperspace 模型类似。亮区凝聚体的质心位置相当于宇宙学方程中的标量场，它的尺寸则充当了量子宇宙学中的尺度因子。因此，实验室中的量子云演化，可被视为真实宇宙演化的“微缩版本”。