為了探索時間，科學家制造了一個微型宇宙裝置，結果看到時間起源

我們每天跟著時鐘生活，默認時間是宇宙自帶的、均勻流逝的外部標尺。

但在量子引力領域，這卻是懸而未決的核心難題：描述宇宙整體的基礎方程里，根本沒有“時間”這個參數。

最近，英國伯明翰大學的物理學家喬瓦尼·巴隆蒂尼，用一團接近絕對零度的原子，在實驗室搭建出一個微型封閉宇宙，首次通過可控定量實驗驗證：在封閉量子系統(tǒng)中，時間可以不從外部引入，而是從系統(tǒng)內部的物質變化中自發(fā)形成。

該研究于2026年6月11日發(fā)表在《物理評論研究》上。

半個多世紀以來，量子引力的“時間問題”始終困擾著物理學家。

惠勒-德威特方程指出：如果把整個宇宙看作完全封閉的量子系統(tǒng)，它的總能量始終守恒，整體量子態(tài)不會隨任何外部時間參數發(fā)生變化，也就是，宇宙在其最深層次上沒有內在的時間，而是以單一的、不變的量子態(tài)存在，它將宇宙視為一個整體，不存在外部時鐘。

除此之外，時間為何有方向？

幾乎所有基礎物理定律都不分過去未來，只有熱力學第二定律給出了唯一的不對稱性：孤立系統(tǒng)的無序程度（熵）只會自發(fā)增大。

很多理論猜想認為時間的箭頭就來自熵的增長，可整個宇宙的精細熵是守恒的，熵又怎么會單向增長？

主流的理論解法是關系性時間：不用尋找外部時鐘，只要把宇宙拆成兩部分，用其中一部分的變化衡量另一部分的演化，就能定義出內部時間；兩個部分之間可以交換熵，其中一部分的熵增長就構成了時間的箭頭。

這套邏輯自洽的猜想，過去始終停留在數學推導層面，無法用實驗直接檢驗。

近些年快速發(fā)展的超冷原子技術，給了物理學家把宇宙學猜想搬進實驗室的機會。

把原子冷卻到接近絕對零度的超低溫，原子會形成步調一致的玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)，研究者可以用激光精準操控它們的運動與相互作用，模擬黑洞輻射、宇宙膨脹等原本只存在于天文觀測和理論中的現象。

這一次，研究者就用這套平臺，打造了檢驗時間本質的“迷你宇宙”。

實驗核心是一團包含2.4萬個銣原子的超冷凝聚體，被兩束不同頻率的交叉激光構成的保守勢阱約束，百毫秒的實驗時長內沒有可測量的耗散與粒子損失，完全可以看作獨立的封閉小宇宙。

研究者用一道厚度僅8微米的超薄光屏障，把原子分成兩個區(qū)域：一邊是可觀測的明亮區(qū)，另一邊是不做觀測的黑暗區(qū)。

屏障高度可以靈活調節(jié)，控制原子在兩區(qū)之間穿梭的難度，也就控制了兩區(qū)之間的熵交換強度。

如果直接用原子團的整體位置當作內部時鐘，會遇到致命問題：原子團在勢阱里沿水平方向來回振蕩，反復穿過中央屏障，同一個位置既可能對應原子剛進入明亮區(qū)的膨脹階段，也可能對應原子準備返回黑暗區(qū)的收縮階段，完全沒法區(qū)分先后順序，自然做不到單向的時間排序。

這和理論宇宙學中坍縮宇宙里時間箭頭會反轉的難題完全對應。

研究者跳出了這個局限，用明亮區(qū)的熵變化定義了全新的熵時間：只要有原子穿過屏障進出明亮區(qū)，區(qū)域內的熵就會隨之變化；沿著熵的變化方向累積計量，就能得到單向推進的時間標尺。

這套定義從根源上保證了時間箭頭的穩(wěn)定性，不會因為原子團的往復運動就發(fā)生反轉。

實驗觀測驗證了這個思路的可行性。

當屏障高度很低時，原子可以自由穿梭，明亮區(qū)會反復經歷從無到有膨脹、再收縮消失的循環(huán)，就像一次次微型的大爆炸與大坍縮。

用熵時間給所有事件排序，順序和實驗室外部時鐘的測量結果完全一致，但流速截然不同：原子進出活躍、熵交換快的時候，時間走得快；一輪坍縮結束、下一輪爆炸尚未開始的間隙，兩區(qū)沒有熵交換，熵時間就會暫時靜止。

隨著屏障不斷升高，原子穿越難度越來越大，熵交換速率下降，熵時間的流速也隨之變慢。

當屏障高到幾乎沒有原子能夠穿過時，明亮區(qū)的粒子數不再變化，熵停止流動，熵時間就徹底靜止，對應著宇宙演化的終點熱寂狀態(tài)。

更關鍵的是，研究者基于這個內部熵時間，推導出了對應的量子演化方程，數值模擬結果和實驗觀測數據高度吻合。

這表明：完全不需要外部時鐘，只用系統(tǒng)內部的熵變化定義的時間，就可以準確重現實驗觀測到的量子演化過程。

這項工作首次在可控實驗室環(huán)境中，定量檢驗了量子引力框架下的關系性時間構造，把原本抽象的宇宙學終極問題，變成了可以反復測量驗證的實驗對象。

未來，這個迷你宇宙平臺還能探索更多深層問題：不同的內部時鐘會不會帶來不一樣的物理規(guī)則？宇宙大爆炸的奇點會不會是一場平滑的量子反彈？時間的可逆性能否通過實驗驗證？

這團微米尺度的超冷原子，正一點點帶領我們揭開時間本質的面紗。