Открыты уравнения, превращающие непредсказуемые события в точные вычисления

Фото из открытых источников

Группа ученых с физического факультета Королевского колледжа Лондона открыла набор математических уравнений, позволяющий построить часы на основе любой последовательности случайных событий. Это открытие переосмысливает суть измерения времени и устанавливает новый стандарт для различения классического и квантового поведения в физических и биологических системах.

Эта теоретическая структура, подробно изложенная в недавней публикации, представляет собой математический рецепт преобразования, казалось бы, хаотичных стохастических процессов — от колебаний фондового рынка до сердцебиения — в приборы для измерения времени с точностью, определяемой фундаментальным пределом.

Исследование, возглавляемое Марком Митчисоном, начинается с предпосылки, которая является как глубоко философской, так и практической: определения времени, которое Альберт Эйнштейн суммировал, когда заявил, что это то, что измеряют часы. В отличие от предсказуемой регулярности наручных часов, часы, основанные на случайных событиях — известных как марковские процессы, где каждое событие или «скачок» зависит только от непосредственно предшествующего — работают в другом режиме, используя присущую статистику нерегулярных последовательностей для оценки хода времени. Решающий прорыв группы заключается в том, что они вывели уравнения, которые не только позволяют построить такие часы, но и устанавливают самый строгий математический предел на сегодняшний день на максимальную точность, которую могут достичь любые такие классические часы.

Непосредственное следствие этого открытия двоякое. Во-первых, оно служит детектором «квантованности» в макроскопическом мире. Если система, ведущая себя, по-видимому, классически марковским образом, то есть подчиняющаяся законам традиционной статистической физики, превышает предел точности, установленный уравнениями, это становится убедительным доказательством того, что в основе её работы лежат квантовые эффекты.

С этой новой точки зрения это объясняет, почему квантовые технологии, такие как атомные часы, использующие энергетические переходы атомов, значительно превосходят по точности любые чисто классические механизмы измерения времени. Таким образом, марковские часы служат своего рода демаркационной линией между двумя областями физики.

Во-вторых, эта модель предлагает мощный инструмент для наук о жизни. Митчисон иллюстрирует её применение на примере кинезина, моторного белка, необходимого для внутриклеточного транспорта. Эта крошечная молекулярная машина, направленно движущаяся вдоль клеточных микротрубочек, чередуя две «ноги», эффективно преобразует окружающую тепловую энергию — по своей природе случайную — в регулярное, ритмичное движение, аналогичное тиканью часов.

Нарушение этого точного процесса связано с такими заболеваниями, как боковой амиотрофический склероз (БАС). Моделируя эти белки как марковские часы, исследователи могут количественно оценить их эффективность и понять, как из теплового хаоса в биологических системах возникают порядок и регулярность. Этот принцип проявляется в различных масштабах, от экосистем до внутренней структуры клетки.

Разработка теории возникла из фундаментального вопроса о минимальных требованиях к измерению времени. Нашей целью было найти минимально необходимые компоненты для создания часов, пояснил Митчисон. Например, можно ли точно измерять время, оказавшись на необитаемом острове? Мы нашли уравнения, которые объясняют, как создать «часы», подсчитывая случайные события вокруг вас, такие как набегающие на берег волны или биение сердца.

Ученый добавил, что эти теоретические часы представляют собой наилучшее возможное решение, которое можно построить путем подсчета марковских событий в системе, управляемой классической физикой, поэтому любое отклонение от ожидаемой модели свидетельствует о наличии более экзотических базовых явлений, таких как квантовое поведение.

Помимо практических приложений, работа углубляется в онтологические вопросы современной физики. Время лежит в основе многих неразгаданных тайн квантовой физики, размышлял Митчисон. Почему время, кажется, течет только в одном направлении? Почему мы помним прошлое, а не будущее? Квантуется ли время дискретными фрагментами, так же как энергия? Размышляя о том, что могут делать часы, мы в конечном итоге надеемся ответить на некоторые из этих вопросов о природе самого времени. Устанавливая фундаментальный предел в классическом мире, это исследование не только предоставляет новый инструмент для науки, но и намечает путь к пониманию более глубоких правил, управляющих Вселенной.