Seorang fisikawan Universitas Birmingham telah menciptakan ‘alam semesta mini’ di laboratorium yang mendekatkan para ilmuwan untuk menjawab salah satu pertanyaan terbesar fisika: apa itu waktu?
Dalam sebuah penelitian yang diterbitkan di Penelitian pemeriksaan fisikProfesor Giovanni Barontini menunjukkan bahwa mengukur perjalanan waktu dapat dilakukan tanpa bergantung pada jam. Sebaliknya, eksperimen tersebut menunjukkan bahwa suatu versi waktu dapat muncul secara alami dari perilaku sistem kuantum itu sendiri.
Mengapa beberapa fisikawan menganggap waktu mungkin bukan hal yang mendasar
Beberapa teori dalam fisika modern menyatakan bahwa waktu mungkin tidak ada sebagai fitur yang melekat pada alam semesta. Salah satu contohnya adalah persamaan Wheeler-DeWitt, yang menggambarkan alam semesta sebagai keadaan kuantum tunggal tanpa jam eksternal. Dalam gambaran ini, partikel menunjukkan perilaku gelombang dan partikel, dan aliran waktu yang lazim pasti berasal dari hubungan antara berbagai bagian sistem, bukan dari jam yang independen.
Untuk mempelajari ide ini secara eksperimental, Profesor Barontini menciptakan “alam semesta” kuantum yang disederhanakan menggunakan awan yang terdiri dari 24.000 atom ultradingin yang didinginkan hingga sepersejuta derajat di atas nol mutlak. Atom-atom tersebut tertutup dalam sistem terisolasi dan dipisahkan oleh penghalang tipis yang dibuat oleh dua sinar laser dengan frekuensi berbeda. Hal ini menghasilkan dua wilayah: wilayah yang teramati (“terang”) dan wilayah yang tidak teramati (“gelap”).
Alam semesta kecil dengan gagasannya sendiri tentang waktu
Di dalam miniatur alam semesta ini, wilayah terang mengembang dan menyusut berulang kali, menyerupai versi sederhana dari Big Bang yang diikuti oleh Big Crunch, sebuah peristiwa hipotetis di mana perluasan alam semesta pada akhirnya berbalik arah.
Karena sistemnya benar-benar terisolasi, para peneliti dapat merekonstruksi rangkaian kejadian hanya dengan menggunakan informasi dari dalam alam semesta mini itu sendiri, tanpa mengacu pada jam laboratorium eksternal.
Hasilnya menunjukkan bahwa waktu bisa muncul dari perubahan yang terjadi dalam sistem kuantum, bukan sebagai latar belakang independen yang selalu bergerak maju.
Bagaimana Entropi Menciptakan Waktu
Eksperimen tersebut mengungkapkan bahwa “waktu” dihasilkan dari perubahan ketidakteraturan, atau penyebaran (entropi), atom ketika mereka berpindah antara wilayah terang dan gelap. Terlepas dari gerakan ini, sistem ini masih terisolasi dari dunia luar.
Ketika distribusi partikel di wilayah terang bertambah atau berkurang, sistem secara efektif bergerak maju dalam waktu. Ketika distribusi partikel berhenti berubah, waktu pun berhenti.
Profesor Barontini menyebut konsep ini “waktu entropis”. Berdasarkan pengalaman, bentuk waktu ini:
- Mengalir dalam arah yang konsisten, menghasilkan “panah waktu” yang jelas
- Urutkan peristiwa dengan benar, bahkan saat alam semesta mini mengembang dan berkontraksi
- Dapat mempercepat atau memperlambat tergantung pada bagaimana entropi didistribusikan
Profesor Barontini mengatakan: “Dalam beberapa teori alam semesta, khususnya gravitasi kuantum, waktu tidak muncul sebagai fitur bawaan. Namun dalam kehidupan sehari-hari, waktu mengalir dari masa lalu ke masa depan – mengapa demikian, padahal sebagian besar hukum dasar fisika bekerja maju dan mundur dengan cara yang sama?
“Studi ini memberikan bukti eksperimental terkontrol pertama bahwa ‘waktu’ dapat ditentukan oleh perubahan dalam suatu sistem, bukan oleh ‘jam berdetak’ eksternal yang kita anggap sebagai waktu. Studi ini menawarkan wawasan baru mengenai sifat waktu dalam gravitasi kuantum yang dapat digunakan untuk menggambarkan dinamika sama efektifnya dengan waktu konvensional.”
Menguji gravitasi kuantum di laboratorium
Para peneliti juga menemukan bahwa versi persamaan Schrödinger, persamaan dasar mekanika kuantum, dapat dinyatakan menggunakan waktu entropis. Ini berarti bahwa para ilmuwan masih dapat memprediksi bagaimana “awan probabilitas” sistem kuantum berubah seiring waktu, bahkan ketika waktu ditentukan oleh perubahan internal dan bukan oleh jam eksternal.
Karya ini membahas masalah lama dalam fisika. Jika beberapa teori benar dan alam semesta tidak memiliki jam yang terpasang di dalamnya, bagaimana peristiwa-peristiwa dapat disusun dalam urutan yang benar? Pengalaman menunjukkan bahwa jawabannya mungkin terletak pada evolusi internal sistem itu sendiri.
Profesor Barontini menunjukkan bahwa miniatur alam semesta mengikuti hukum standar mekanika kuantum sambil memungkinkan gagasan tentang sifat waktu, yang biasanya terbatas pada teori yang menjelaskan seluruh alam semesta, untuk diuji dalam kondisi laboratorium yang terkendali.
Menuju eksperimen Big Bang dan lubang hitam
Alam semesta mini menyediakan platform eksperimental yang berharga untuk menguji ide-ide dalam kosmologi kuantum dan gravitasi kuantum. Daripada hanya mengandalkan model matematika, para ilmuwan kini mungkin dapat mempelajari konsep-konsep yang berkaitan dengan alam semesta awal melalui eksperimen laboratorium.
Tim peneliti mengatakan pendekatan yang sama pada akhirnya dapat diperluas ke sistem kuantum yang lebih kompleks, membuka pintu bagi eksperimen yang mengeksplorasi fisika Big Bang, “Big Crunch”, simulasi lubang hitam, dan teori-teori bersaing tentang bagaimana waktu itu sendiri muncul.
