PRR: течение времени может быть не совсем равномерным

Фото из открытых источников

Этот эффект незаметен даже для самых точных часов, но теоретическая физика предполагает, что на самом фундаментальном уровне время может иметь мельчайшие флуктуации.

Квантовая механика, теория, описывающая субатомный мир, основана на устойчивом парадоксе. Она описывает частицы, которые могут одновременно существовать в нескольких состояниях или местах, — явление, математически выраженное в волновой функции. Однако эта суперпозиция состояний прямо противоречит макроскопической реальности, где объекты обладают четко определенными свойствами.

Квантовая ортодоксия разрешает это противоречие посредством постулата коллапса волновой функции: в момент измерения или наблюдения система отказывается от своего диффузного состояния и принимает единственную, определенную конфигурацию. Теперь международное исследование, поддержанное Институтом фундаментальных вопросов (FQxI), изучило глубокие последствия для самой природы времени, которые возникли бы в результате применения ряда альтернативных теорий, модифицирующих этот постулат, известных как модели спонтанного коллапса.

Результаты, опубликованные в журнале Physical Review Research, предлагают новый способ экспериментального различения этих теорий от стандартной квантовой механики и, попутно, указывают на скрытую связь между квантовой областью, гравитацией и тканью времени.

Исследование возглавил Никола Бортолотти, аспирант Музея и исследовательского центра Энрико Ферми (CREF) в Риме, который вместе с группой международных коллег решил серьезно отнестись к гипотезе, развивавшейся на протяжении десятилетий. «Мы всерьез рассмотрели идею о том, что модели коллапса могут быть связаны с гравитацией, — говорит Бортолотти. — А затем задали очень конкретный вопрос: что это означает для самого времени?»

В состав команды входят Каталина Курчану, член FQxI и директор по исследованиям в Национальных лабораториях Фраскати Национального института ядерной физики (INFN-LNF) в Италии; Кристиан Пискиччиа из CREF и INFN-LNF; Лайош Диоши из Научно-исследовательского центра физики им. Вигнера и Университета Этвеша Лоранда в Будапеште, Венгрия; и Симоне Манти, также из INFN-LNF.

Модели спонтанного коллапса, первоначально разработанные в 1980-х годах, предлагают объективный физический механизм коллапса волновой функции. В отличие от чисто философских интерпретаций квантовой механики, эти модели включают математические модификации фундаментальных уравнений, вводя процесс спонтанной локализации, который происходит непрерывно и случайным образом, независимо от присутствия наблюдателя.

Это наделяет их эмпирически опровергаемым характером, поскольку их количественные предсказания в принципе могут быть проверены с помощью экспериментов чрезвычайной точности. Команда сосредоточилась на двух из этих моделей. Первая, известная как модель Диоши-Пенроуза — название которой дано в честь двух членов FQxI, самого Лайоша Диоши и сэра Роджера Пенроуза — исторически постулировала концептуальную связь между коллапсом волновой функции и гравитационными эффектами. Вторая анализируемая модель — это непрерывная спонтанная локализация (CSL).

Радикальная новизна работы заключается в количественной связи, которую она устанавливает между этими моделями и флуктуациями пространства-времени. Анализ показывает, что если любая из этих теорий спонтанного коллапса правильно описывает физическую реальность, то время — параметр, который мы считаем абсолютным и однородным, — не может быть идеально гладким.

Вместо этого, оно будет демонстрировать крошечную внутреннюю неопределенность, своего рода «тиканье» или фундаментальное колебание. Это свойство наложит абсолютный теоретический предел точности, с которой любые часы, независимо от используемой технологии, могут измерять течение времени. После проведения расчетов ответ становится ясен и удивительно обнадеживающим, отметил Бортолотти.

Уверенность, о которой говорит исследователь, объясняется ничтожно малым масштабом эффекта. Предсказанные временные колебания имеют настолько малый порядок величины, что находятся далеко за пределами порога обнаружения самых современных приборов, доступных сегодня, или любых прогнозируемых разработок в ближайшем будущем. Неопределенность на много порядков ниже всего, что мы можем измерить в настоящее время, поэтому она не имеет практических последствий для повседневного измерения времени, уверяет Каталина Курчану. Кристиан Пишиччиа подтверждает этот вывод: «Наши результаты ясно показывают, что современные технологии измерения времени вообще не подвержены влиянию».

Помимо своего влияния на метрологию времени, исследование проливает свет на одну из самых сложных проблем современной теоретической физики: объединение квантовой механики и общей теории относительности. Первая рассматривает время как внешний, классический параметр, фиксированный фон, на котором разворачиваются квантовые явления. Вторая, теория гравитации Эйнштейна, понимает время как динамическое и податливое измерение, которое искривляется и деформируется в присутствии массы и энергии. Поиски квантовой теории гравитации, которая бы примирила эти диаметрально противоположные подходы, остаются безуспешными уже почти столетие.

Работа группы исследователей, финансируемой FQxI, предполагает, что модели спонтанного коллапса могут представлять собой фрагмент этого теоретического моста. Демонстрируя, что квантовые модификации, предложенные этими моделями, неизбежно приводят к флуктуациям во времени — по своей сути относительному и гравитационному понятию — исследование устанавливает формальную, количественно измеримую связь между двумя областями. В общей теории относительности время и пространство податливы, изменяются и искривляются под влиянием объектов, обладающих массой, объясняет Курчану, подчеркивая гибридный характер полученных выводов.

Каталина Курчану подчеркнула каталитическую роль FQxI в поддержке направлений исследований, выходящих за рамки общепринятых. По ее словам, в мире не так много фондов, которые поддерживают исследования по таким фундаментальным вопросам о Вселенной, пространстве, времени и материи. В заключение она резюмирует суть полученных результатов: «Наша работа демонстрирует, что даже самые радикальные идеи о квантовой механике могут быть проверены с помощью точных физических измерений, и что, что обнадеживает, измерение времени остается одним из самых стабильных столпов современной физики».

Таким образом, исследование действует по двум направлениям: с одной стороны, оно открывает окно в более фундаментальную физику, в которой время может обладать изначально изменчивой природой; с другой стороны, оно подтверждает необычайную прочность основ, на которых строится современная наука и техника.