Атомные часы могут раскрыть скрытую квантовую природу самого времени

Фото из открытых источников

Хотя в жизни много переменных, есть один показатель, по которому наше существование строго измеряется: время. Мы воспринимаем время как нечто жесткое, плавное и однонаправленное – стрела времени летит прямо и точно, и все, что мы можем сделать, это следовать за ней. Но что, если время несколько более изменчиво, чем предполагает наш опыт? Что, если оно скрывает в себе квантовую природу?

В новой статье группа физиков показала, как оптические часы — высокоточные атомные часы, использующие частоты оптического света вместо микроволновых сигналов, — могут быть использованы для демонстрации квантовой природы времени. В свою очередь, это может помочь нам понять всю загадочную природу самого времени. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.

«Оказывается, существуют более глубокие аспекты времени, которые никто никогда не испытывал и которые никогда не измерялись», — заявил физик Игорь Пиковски из Технологического института Стивенса в США. «Согласно квантовой теории, могут быть случаи, когда время изменяется не просто равномерно с одной скоростью. Вместо этого существует «много моментов суперпозиции», то есть оно проходит с разной скоростью одновременно. На практике это означает, что одни и те же часы будут регистрировать несколько разных моментов времени, а не только один, как мы обычно привыкли. Ранее этого не наблюдалось, но мы показываем, что современные ионные часы теперь могут это обнаружить».

На протяжении веков время считалось абсолютной величиной, как это определил сэр Исаак Ньютон. Он описывал его как универсальную постоянную, независимую грань объективной реальности, на которую не могут повлиять внешние факторы.

Затем появился Альберт Эйнштейн, хитро поддразнивающий палочку относительности в спицах ньютоновского велосипеда. Его новые физические модели показали, что время относительно и может двигаться быстрее или медленнее в зависимости от движения и гравитации.

«Универсального времени не существует, есть только то, что мы называем «собственным временем»: каждый наблюдатель фиксирует свое собственное время, и оно может отличаться», — пояснил Пиковски. «Вот с чем мы работаем, а именно с тем, что течение времени меняется в зависимости от скорости и положения. «Парадокс близнецов» — типичный пример релятивистского времени по Эйнштейну, когда один из близнецов совершает путешествие туда и обратно на ракете, и когда он возвращается, он оказывается моложе своего другого близнеца, который постарел больше, оставаясь на Земле».

Замедление времени — это релятивистский эффект, и поэтому он хорошо изучен.

Экспериментально еще не исследовано, как может вести себя время в квантовом режиме, на масштабах, где одной лишь теории относительности уже недостаточно для описания поведения Вселенной, и вступает в игру квантовая теория.

Однако даже в квантовой теории время обычно рассматривается как классическое явление, протекающее по прямой линии на заднем плане.

«Одна из важнейших задач современной физики — найти квантовую теорию гравитации», — пояснил Пиковски. «В такой теории мы ожидаем, что многие классические понятия, такие как время и гравитация, будут описываться чем-то принципиально квантовым. Поэтому мы знаем, что время в том виде, в котором мы его описываем сегодня, не может быть окончательным объяснением — чего-то не хватает, когда в дело вступает квантовая теория».

В своей статье Пиковски и его коллеги предлагают способы использования сверхточных оптических часов, отсчитывающих время в такт колебаниям атомов, возбуждаемых лазерами, для исследования квантовых временных явлений.

К ним относятся временная суперпозиция, при которой перекрывающиеся временные интервалы могут существовать одновременно, и запутанность, при которой время и движение могут связываться и влиять на поведение друг друга.

«Квантово-запутанность и суперпозиция — отличительные черты квантового поведения», — сказал Пиковски. «Наша работа показывает, что даже само время может обладать такими квантовыми признаками, что не соответствует общепринятым представлениям в квантовой физике».

На практике это может означать, что одни и те же часы регистрируют более одного момента времени одновременно, с интервалами, составляющими невообразимо малые доли секунды — порядка десятков аттосекунд, которые могут быть измерены только оптическими атомными часами с достаточной точностью.

Атомные часы уже достаточно точны, чтобы измерять мельчайшие эффекты теории относительности, такие как замедление времени; например, если поднять одни часы всего на несколько сантиметров выше высоты других, то ничтожной разницы в силе гравитации Земли между ними будет достаточно, чтобы создать эффект замедления времени, который можно обнаружить в часах.

Согласно работам Пиковски и его коллег, оптические часы могут быть достаточно точными, чтобы наблюдать и квантовые эффекты.

Команда предлагает использовать квантовую технику, известную как «сжатие», которая может усиливать мельчайшие флуктуации в системе. В данном случае это могло бы усилить квантовое поведение атомов внутри часов, сделав странные эффекты во времени более заметными.

Некоторые из этих эффектов можно обнаружить с помощью современных технологий, в то время как другие пока слишком незначительны и хрупки. Однако те, которые достижимы, заслуживают дальнейшего изучения.

Предложенные исследователями методы могут дать первые экспериментальные доказательства того, что само время может вести себя в соответствии с принципами квантовой механики.

Это дало бы физикам новый способ исследовать взаимосвязь теории относительности и квантовой механики, а также новые представления о самой природе времени.

«Я думаю, это может дать нам подсказки и экспериментальные данные о том, насколько ошибочны наши повседневные представления о реальности. Квантовая теория не просто странная, она также подразумевает совершенно иную фундаментальную структуру Вселенной, которая противоречит повседневному опыту», — сказал Пиковски. «Эйнштейн, как известно, заметил: „А Луна там, когда никто не смотрит?“ Он сделал это замечание, чтобы подчеркнуть странные предсказания квантовой механики. Если само время наследует эти квантовые свойства, то есть время может находиться в состоянии суперпозиции, когда никто не наблюдает, это, на мой взгляд, стало бы захватывающим взглядом на странные внутренние механизмы природы и открыло бы новые горизонты фундаментальной физики».