종종 알베르트 아인슈타인의 것으로 잘못 간주되지만 실제로 공상과학 작가 레이 커밍스의 것으로 간주되는 인용문인 "시간은 모든 일이 동시에 일어나는 것을 막는 것입니다"는 여전히 우주의 가장 근본적인 속성 중 하나에 대한 가장 간결한 요약으로 간주됩니다. 뉴턴에게 시간은 물질 세계 밖에서 균일하게 흐른다. 아인슈타인의 상대성 이론은 시간이 공간과 분리될 수 없으며 가속도와 중력의 작용에 따라 팽창하고 수축한다는 것을 보여줍니다.이 두 가지 이론 이후에도 여전히 답이 없는 핵심 질문이 남아 있습니다. 모든 것이 동시에 일어나는 것을 막는 것은 무엇입니까?

이를 위해 영국 버밍엄 대학교 물리학자 조반니 바론티니(Giovanni Barontini)는 시간이 처음부터 어떻게 '탄생'하는지 관찰하기 위해 '원점으로 돌아가' 실험실에서 완전히 새로운 마이크로 우주를 '만들기'를 선택했습니다. 그가 건설한 우주는 물론 우리가 살고 있는 우주보다 훨씬 단순하며, 약 24,000개의 루비듐 원자로만 구성되어 있습니다. 원자는 절대 영도에 가까운 극도로 낮은 온도로 냉각되었으며 동일한 양자 상태를 공유하도록 강제되어 보스-아인슈타인 응축물을 형성했습니다. 그 후, 이 응축된 물질은 인위적으로 두 부분으로 나누어졌습니다. 한 부분은 기기로 직접 측정할 수 있었고, 다른 부분은 "어두운" 상태로 유지되어 외부 관찰로부터 격리되었습니다.

이 시스템에서 연구팀은 '고립된 우주'가 팽창과 같은 진화를 겪도록 허용하는 동시에 양자파가 두 '하위 우주' 사이를 오가는 것을 허용했습니다. 이 과정을 통해 Barontini는 논란의 여지가 있지만 매력적인 이론적 틀을 테스트할 수 있을 만큼 실제 우주와 충분히 유사한 실험 모델을 얻었습니다. 이 모델은 물리학의 소위 "Wheeler-DeWitt 프레임워크"에 해당합니다. 이 프레임워크는 일반 상대성 이론과 양자 역학을 수학적으로 통합하여 물질과 공간뿐만 아니라 시간 자체도 포함하여 모든 것을 전체 파동 함수의 일부로 처리하려고 시도합니다.

전통적인 경험에서 우리는 마치 우주의 모든 사건이 이 시계의 규모에 따라 발생하는 것처럼 시간을 외부 "시계"로 취급하는 데 익숙합니다. Barontini의 실험은 또 다른 관점을 제공합니다. 시간은 외부 시계 없이 닫힌 시스템 내의 변화에 ​​의해 완전히 정의될 수 있습니다. 버밍엄 대학이 발표한 메모에서 그는 이 연구가 "시간"이 외부에서 똑딱거리고 있다고 상상하는 독립적인 양이 아니라 시스템 내부 상태의 변화의 산물로 이해될 수 있다는 것을 통제된 실험에서 최초로 입증한 것이라고 언급했습니다. 이러한 관점은 양자 중력 이론에서 시간의 본질에 대한 새로운 증거를 제공하며, 어떤 경우에는 시스템 진화를 설명하기 위해 "내부 시간"을 사용하는 것이 전통적인 "외부 시간"만큼 타당할 수 있음을 시사합니다.

Wheeler-DeWitt 프레임워크에서 "이전"과 "이후"는 더 이상 절대적인 시간 표시가 아니라 시스템 내 무질서 정도의 진화에서 자연스럽게 나타나는 속성입니다. 이 실험에서 엔트로피라고 알려진 이 장애는 우주가 팽창함에 따라 양자 정보가 점진적으로 "손실"되는 것을 수학적 설명으로 볼 수 있습니다. 차가운 루비듐 원자로 구성된 이 "소형 우주"의 팽창과 수축에 따른 특성을 반복적으로 측정함으로써 Barontini는 이러한 변화에 대한 질서 있는 "사건의 순서"를 확립할 수 있었습니다. 이 시퀀스는 우리 직관의 "시간"과 유사한 방향을 보여줍니다. 엔트로피 증가 방향을 따라 한 방향으로 흐르고 엔트로피 변화 속도에 따라 "더 빨라지거나" "느려집니다".

현재의 우주론 모델은 거시적 중력과 미시적 양자 세계 사이의 관계를 설명하는 데 여전히 심각한 격차를 갖고 있어 블랙홀 내부의 실제 메커니즘이나 빅뱅의 첫 순간에 대한 세부 사항을 거의 이해하지 못합니다. Barontini 팀이 구축한 "소형 우주"는 연구자들에게 전례 없는 실험 플랫폼을 제공하여 통제된 환경에서 양자 중력 프레임워크의 "시간" 동작을 직접 탐색할 수 있게 해줍니다. 이와 같은 소우주 실험을 통해 팽창하는 우주에서 왜 시간이 한 방향으로 나타나는지, 왜 '모든 일은 이미 일어났다'고 걱정할 이유가 없는지 점차 밝혀질 것으로 예상된다.

관련 결과는 버밍엄 대학교를 주요 출판 단위로 하는 저널 "Physical Review Research"에 게재되었으며, 연구 내용은 독립적인 과학 편집자들에 의해 사실 확인도 거쳤습니다. 이 연구는 시간의 본질에 관한 철학적 논쟁에 대한 실험적 뒷받침을 제공할 뿐만 아니라 통일된 양자 중력 이론의 구축, 우주의 기원과 극한 천체 물리학 현상에 대한 이해를 위한 새로운 사고 방식을 제공합니다.

자세히 알아보기:

https://www.birmingham.ac.uk/news/2026/scientist-creates-miniuniverse-to-measure-time-without-a-clock

https://journals.aps.org/prresearch/abstract/10.1103/1h9j-df4k