Макар и в живота да има много променливи, има един показател, по който съществуването ни се измерва строго: времето.
Обикновено го възприемаме като нещо твърдо, плавно и еднопосочно – стрелата на времето лети право и неизменно, а ние просто я следваме.
Нека обаче си представим, че времето е малко по-разхлабено, отколкото подсказва ежедневният ни опит. Ами ако крие тайна квантова природа?
В нова научна публикация екип физици показва как оптичните часовници – изключително прецизен вид атомни часовници, които използват честотите на оптичната светлина вместо микровълнови сигнали – биха могли да бъдат използвани, за да се демонстрира квантовата природа на времето. Това на свой ред може да ни помогне да разберем цялата загадъчна същност на самото време.
„Оказва се, че съществуват по-дълбоки аспекти на времето, които никой никога не е преживявал и които никога не са били измервани“, казва физикът Игор Пиковски от Технологичния институт „Стивънс“ в САЩ пред ScienceAlert.
„Според квантовата теория има ситуации, в които времето не се променя просто равномерно с една и съща скорост. Вместо това съществуват ‘много времена в суперпозиция’, тоест то протича с различни скорости едновременно.
Това на практика означава, че един-единствен часовник би отчитал няколко различни времена, а не само едно, както сме свикнали. Това никога не е наблюдавано досега, но ние показваме, че съвременните йонни часовници вече биха могли да го засекат.“
В продължение на векове времето е било разглеждано като абсолютно, както го определя Исак Нютон. Той го описва като универсална константа, независим аспект на обективната реалност, който не може да бъде повлиян от външни фактори.
След това идва Алберт Айнщайн, който преобръща тази представа с теорията на относителността. Неговите нови физични рамки показват, че времето е относително и може да тече по-бързо или по-бавно в зависимост от движението и гравитацията.
„Няма универсално време – има само това, което наричаме ‘собствено време’: всеки наблюдател измерва своето време и то може да се различава“, обяснява Пиковски.
„Именно с това работим – че ходът на времето се променя в зависимост от скоростта и положението. Класически пример е ‘парадоксът на близнаците’ според Айнщайн: единият близнак предприема пътуване с ракета и когато се върне, е по-млад от другия, който е остарял повече, оставайки на Земята.“
Т.нар. дилатация на времето е релативистичен ефект и следователно е добре изследван.
Това, което все още не е било експериментално проверено, е как би се държало времето в квантов режим – при мащаби, в които относителността сама по себе си вече не е достатъчна, за да опише поведението на Вселената, и на преден план излиза квантовата теория.
Дори и в рамките на квантовата теория обаче времето обикновено се разглежда като класично явление, което „тича“ равномерно на заден план.
„Едно от най-важните предизвикателства в съвременната физика е да се създаде квантова теория на гравитацията“, казва Пиковски.
„В такава теория очакваме много от иначе класическите понятия като време и гравитация да бъдат описани като нещо фундаментално квантово. Така че знаем, че времето в сегашния му вид не е окончателната картина – нещо липсва, когато влезе квантовата теория.“
В своето изследване Пиковски и колегите му предлагат начини, по които ултрапрецизни оптични часовници, които „тикат“ в ритъма на трептящи атоми, възбудени от лазери, могат да бъдат използвани за изследване на квантови времеви явления.
Сред тях са т.нар. времева суперпозиция, при която различни „версии“ на времето могат да съществуват едновременно, както и заплитането (ентангълмънт), при което времето и движението могат да се свържат така, че да влияят взаимно на поведението си.
„Заплитането и суперпозицията са отличителни белези на квантовото поведение“, казва Пиковски пред ScienceAlert.
„Нашата работа показва, че дори самото време може да притежава такива квантови характеристики – нещо, което обикновено не се предполага в квантовата физика.“
На практика това може да означава един часовник да отчита повече от едно време едновременно, разделени от невъобразимо малки интервали – от порядъка на десетки атосекунди, които само оптичен атомен часовник е достатъчно прецизен, за да измери.
Атомните часовници вече са достатъчно точни, за да засичат миниатюрни ефекти на относителността, като дилатацията на времето. Например, ако повдигнете един часовник само на няколко сантиметра над друг, минималната разлика в земната гравитация е достатъчна, за да създаде измерим ефект.
Според изследването на Пиковски и колегите му оптичните часовници може да са достатъчно прецизни, за да уловят и квантови ефекти.
Екипът предлага използването на квантова техника, известна като „squeezing“, която може да усили изключително малки флуктуации в една система. В този случай тя би могла да засили квантовото поведение на атомите в часовника и да направи странните ефекти върху времето по-видими.
Някои от тези ефекти вече може да бъдат засечени със съвременните технологии, докато други все още са твърде малки и крехки. Въпреки това онези, които са в обсега на възможното, си струва да бъдат изследвани.
Предложените от учените методи могат да доведат до първите експериментални доказателства, че самото време може да се държи квантово.
Това би дало на физиците нов начин да изследват пресечната точка между относителността и квантовия свят, както и нови прозрения за самата природа на времето.
„Мисля, че това може да ни даде насоки и експериментални данни за това как ежедневните ни представи за реалността могат да бъдат подвеждащи. Квантовата теория не е просто странна – тя предполага и съвсем различна фундаментална структура на Вселената, която противоречи на ежедневния ни опит“, казва Пиковски.
„Айнщайн прочуто е попитал: ‘Съществува ли Луната, когато никой не я наблюдава?’ Той използва този въпрос, за да подчертае странните предсказания на квантовата механика.
Ако самото време наследява тези квантови свойства – ако може да бъде в суперпозиция, когато никой не го ‘наблюдава’ – за мен това би било изключително вълнуващ поглед към странната вътрешна логика на природата и би ни насочило към нови хоризонти във фундаменталната физика.“
Статията е публикувана в списанието Physical Review Letters.
