Квантовият часовник на Шрьодингер: времето може да тече по-бързо и по-бавно едновременно

Физици предложиха начин да се провери дали времето може да тече едновременно по-бързо и по-бавно. Според ново проучване квантовите ефекти могат да накарат часовниците да „стареят“ с различна скорост в един и същи момент.

Изследването бе ръководено от доцент Игор Пиковски от Технологичния институт в Стивънс съвместно с експерименталните групи на Кристиан Саннер от Университета на щата Колорадо и Дитрих Лейбфрид от Националния институт за стандарти и технологии (NIST).

Учените проучиха как съвременните атомни часовници могат да разкрият скрити квантови ефекти, свързани с протичането на времето. Според заключенията им технологиите, разработвани за часовници от ново поколение и квантови компютри могат да позволят да се изследва дали самото време се подчинява на квантовите правила.

В квантовата механика обектите могат да съществуват в няколко състояния едновременно. Тази концепция е известна от „котката на Шрьодингер“ – мислoвен експеримент, в който котката се счита едновременно за жива и мъртва до момента на наблюдението. Изследователите предполагат, че нещо подобно може да се случва и с времето. Часовник, подчиняващ се на квантовите закони на движението може да преживява няколко потока на времето едновременно.

„Времето играе напълно различни роли в квантовата теория и в теорията на относителността. Ние показваме, че обединяването на тези две концепции може да разкрие скрити квантови белези на протичането на времето, които вече не могат да бъдат описани от класическата физика.“

казва Пиковски

Теорията на относителността вече предсказва, че времето тече по различен начин в зависимост от движението и местоположението. Това явление е известно като „парадоксът на близнаците“, при който единият близнак, пътуващ с висока скорост се завръща по-млад от този, който е останал на Земята. Новото проучване разширява тази идея в квантовата област.

Изследователите си зададоха въпроса: може ли един часовник да изпитва две различни скорости на протичане на времето, намирайки се в квантова суперпозиция?

Според квантовата теория това е възможно. Пиковски и колегите му за първи път предложиха тази идея преди повече от десет години, но ефектът беше твърде малък за експериментално наблюдение. Постиженията в технологията на атомните часовници могат да променят ситуацията.

Екипът се съсредоточи върху йонните часовници, разработвани в NIST и Университета на щата Колорадо. Тези устройства задържат отделни йони (например, алуминий или итербий), охлаждат ги до температури, близки до абсолютната нула и управляват квантовите им състояния с помощта на лазери.

„Атомните часовници днес са толкова чувствителни, че могат да улавят минимални разлики във времето, причинени от топлинни вибрации при изключително ниски температури. Но дори при абсолютната нула, в основното състояние скоростта на тиктакането все пак ще се влияе само от квантови флуктуации.“

казва Габриел Сорчи, докторант в Технологичния институт „Стивънс“

Изследователите отидоха още по-далеч: вместо просто охлаждане на атомите, те предложиха да манипулират самото вакуум, създавайки „сгъстени състояния“ – квантови състояния, в които положението и скоростта се държат по необичаен начин. При такива условия един часовник може ефективно да тиктака едновременно по-бързо и по-бавно, обърквайки се със собственото си квантово движение.

Учените се надяват да демонстрират тези ефекти експериментално.

„Разполагаме с технологията за създаване на необходимото сгъстяване и пътя към постигане на точността на часовника, необходима за наблюдение на такива ефекти в йонни часовници за първи път.“

казва Саннер от Университета на щата Колорадо

За Пиковски по-широките последствия са не по-малко вълнуващи. Неговите предишни работи включват демонстрация, че квантовите технологии потенциално могат да открият гравитони – хипотетични частици, пренасящи гравитацията.

„Физиката все още е пълна с загадки на най-фундаментално ниво. Квантовите технологии сега ни дават нови инструменти, за да хвърлим светлина върху тях.“

заключава той