RW Space

Хотя в жизни много переменных, есть один показатель, по которому строго измеряется наше существование: время.

Мы думаем о нем как о жестком, плавном и однонаправленном – стрела времени летит прямо и верно, и все, что мы можем сделать, это идти туда, куда она ведет.

Но что, если время немного более неустойчиво, чем подсказывает наш опыт? Что, если оно имеет скрытую квантовую природу?

В новой статье группа физиков показала, как оптические часы – высокоточный тип атомных часов, использующих частоты оптического света вместо микроволновых сигналов – можно использовать для демонстрации квантовой природы времени. В свою очередь, это могло бы помочь нам понять всю загадочную природу самого времени.

«Оказывается, существуют более глубокие аспекты времени, которые никто никогда не испытывал и которые никогда не измерялись», — рассказал журналу ScienceAlert физик Игорь Пиковски из Технологического института Стивенса в США.

«Согласно квантовой теории, могут быть случаи, когда время не просто постоянно меняется с одной скоростью. Вместо этого существует «множество моментов в суперпозиции», i.e., it passes at different rates at the same time.

«This means in practice that a single clock would record several different times, not just a single one as we are usually used to. Это никогда раньше не наблюдалось, но мы показываем, что это то, что теперь могут обнаружить современные ионные часы».

На протяжении веков время считалось абсолютным, как его определил сэр Исаак Ньютон. Он описал его как универсальную константу, независимую грань объективной реальности, на которую не могут повлиять внешние воздействия.

Затем появился Альберт Эйнштейн, хитро тыкая палкой относительности в спицы ньютоновского велосипеда. Его новые физические концепции показали что время относительно и может двигаться быстрее или медленнее в зависимости от движения и гравитации.

«Не существует универсального времени, а есть только то, что мы называем «собственным временем»: каждый наблюдатель записывает свое собственное время, и оно может отличаться», — объяснил Пиковски.

«Это то, с чем мы работаем, а именно, что поток времени меняется в зависимости от скорости и положения. «Парадокс близнецов» является типичным примером релятивистского времени по Эйнштейну, когда близнец совершает полет туда и обратно на ракете, а когда он возвращается, он моложе, чем его другой близнец, который постарел больше, оставаясь на Земле».

Замедление времени является релятивистским эффектом и, следовательно, хорошо изучено.

Что еще не исследовано экспериментально, так это то, как время может вести себя в квантовом режиме, в масштабах, где одной теории относительности уже недостаточно для описания как ведет себя Вселенная, и в игру вступает квантовая теория.

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

«Одна из наиболее важных задач современной физики — найти квантовую теорию гравитации», — объяснил Пиковски.

«В такой теории мы ожидаем, что многие из классических понятий, таких как время и гравитация, будут описываться чем-то фундаментально квантовым. Поэтому мы знаем, что время, как мы его описываем сегодня, не может быть последней историей – чего-то не хватает, когда на сцену выходит квантовая теория».

В своей статье Пиковски и его коллеги предлагают способы, с помощью которых сверхточные оптические часы, отсчитывающие колебательный ритм атомов, возбуждаемых лазерами, могут быть использованы для исследования квантовых временных явлений.

К ним относятся временная суперпозиция, при которой перекрывающиеся времена могут существовать одновременно, и запутанность, при которой время и движение могут становиться связаны с влиянием на поведение друг друга.

«Запутывание и суперпозиция являются отличительными чертами квантового поведения», — рассказал Пиковски ScienceAlert.

«Наша работа показывает, что даже само время может иметь такие квантовые признаки, что не является тем, что обычно предполагается в квантовой физике».

На практике это может означать, что одни часы регистрируют более одного времени одновременно, разделенные невообразимо малыми долями – на интервалы порядка десятков аттосекунд, которые достаточно точны для измерения только оптические атомные часы.

Атомные часы уже достаточно точны, чтобы измерять крошечные эффекты теории относительности, такие как замедление времени; например, если вы поднимете одни часы всего на несколько дюймов над высотой других, крошечной разницы в гравитации Земли между ними будет достаточно, чтобы создать эффект замедления, обнаруживаемый в часах.

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

Команда предлагает использовать квантовую технику, известную как «сжатие», которая может усиливать крошечные колебания в системе. В этом случае она может улучшить квантовое поведение атомов внутри часов, делая странные эффекты во времени более заметными.

Некоторые из этих эффектов можно обнаружить с помощью современных технологий, в то время как другие все еще слишком малы и хрупки.

Методы, предложенные исследователями, могут дать первые экспериментальные доказательства того, что само время может вести себя квантовомеханически.

Это даст физикам новый способ исследовать пересечение теории относительности и квантовой реальности, а также новое понимание самой природы времени.

Связано: Эти новые часы настолько точны, что вскоре смогут переопределить секунду

«Я думаю, что они могут дать нам подсказки, и экспериментальные данные о том, как наши повседневные представления о реальности вводят в заблуждение. Квантовая теория не просто странна, она также предполагает совершенно другую фундаментальную структуру Вселенной, которая противоречит повседневному опыту», — сказал Пиковски.

«Эйнштейн заметил знаменитое высказывание: «Существует ли Луна, когда никто не смотрит?» Он сделал это замечание, чтобы подчеркнуть причудливые предсказания квантовой механики.

«Если время само унаследует эти квантовые свойства, то есть время может находиться в суперпозиции, когда никто не смотрит, для меня это будет захватывающим взглядом на странную внутреннюю работу природы и намеком на новые рубежи фундаментальной физики».

Работа была опубликована в журнале Physical Review Letters.