Времето не тече плавно: Квантовата неопределеност променя физиката

Съвременната физика е обсебена от прецизността. Измерването на времето е област, в която човечеството е постигнало най-високи технологични постижения. Най-добрите атомни часовници, базирани на оптични решетки (използващи стронциеви или итербиеви атоми), днес имат грешка от около 10^-¹⁸. При такава стабилност натрупаната грешка за целия период от 13,8 милиарда години в космоса не би надвишила една секунда.

Инженерите и учените обаче не почиват на лаврите си. Те планират да създадат ядрен часовник, който обещава още по-висока стабилност. Но тук идва въпросът: дали структурата на самата Вселена ни позволява да измерваме времето безкрайно точно? Или съществува физическа бариера, неразрешим шум, заложен в тъканта на реалността, който ще превърне всяко измерване в хаос?

В ново изследване, публикувано в списание Physical Review Research, група европейски физици проверяват теоретично тази граница. Те анализираха как алтернативните интерпретации на квантовата механика влияят върху стабилността на потока на времето. Работата им свързва микроскопичното поведение на материята с глобалната структура на пространство-времето и дава отговор на въпроса дали ще се сблъскаме със стена, когато създаваме часовниците на бъдещето.

Наблюдателят срещу реалността

Нека първо се обърнем към основите на квантовата механика. В нейната стандартна формулировка съществува проблемът за измерването. Докато една частица не бъде измерена, тя се намира в суперпозиция – във всички възможни състояния едновременно. Процесът на измерване води до мигновено „свиване“ на тази суперпозиция в едно конкретно състояние.

Проблемът се състои в това, че стандартната теория не обяснява как или защо се случва този колапс. За това е необходим външен наблюдател или инструмент. Това не устройва всички физици, тъй като поражда парадокси: съществувала ли е Вселената преди появата на наблюдателите?

Като решение са предложени модели на спонтанен колапс. Тези теории твърдят, че колапсът се случва от само себе си, без участието на наблюдател. Той е случаен, стохастичен процес. За един-единствен електрон вероятността за спонтанен колапс е пренебрежимо малка (веднъж на стотици милиони години), но за макроскопични обекти, състоящи се от милиарди атоми, колапсът е мигновен и постоянен. Ето защо масите и столовете винаги са на определено място, а не са разпръснати в пространството.

Но за тази обективност трябва да се плати определена цена. Ако материята е постоянно подложена на случайни локализации, това означава, че разпределението на масата в пространството непрекъснато се колебае. Масата се колебае.

Логическата верига: от масата към времето

Авторите на изследването – Никола Бортолоти, Каталина Курчану, Лайош Диоши и техните колеги – изграждат мост между тези квантови модели и Общата теория на относителността на Айнщайн. Логиката на техния анализ е следната:

1. Нестабилността на материята: в рамките на теориите за спонтанен колапс (CSL и Dyoshi-Penrose) плътността на материята не е замразена величина. Стохастичното поле, което провокира колапса на вълновата функция, предизвиква непрекъснати микроскопични вариации в плътността на масата.
2. Гравитационната реакция: тъй като материята служи като източник на гравитация, всяка промяна в нейното разпределение влияе върху структурата на полето. След като плътността на масата започне да се колебае, Нютоновият гравитационен потенциал в тази точка също губи стабилност.
3. Връзка с времето: според Общата теория на относителността гравитационният потенциал диктува скоростта на времето (ефектът на гравитационното забавяне). Следователно, ако потенциалът е подложен на квантови флуктуации, тогава ходът на времето в тази област престава да бъде равномерен и придобива стохастичен компонент.

Това води до извода: в света, в който работят моделите на спонтанен колапс, идеалните часовници не могат да съществуват. Самото пространство-време генерира шум. Всеки хронометър ще регистрира тези изкривявания, приемайки ги за собствена грешка.

Анализите на двата модела

Изследователите проучиха двата основни теоретични конструкта:

• Моделът на Дьоши-Пенроуз (DP): тази концепция постулира пряката зависимост на намаляването на вълновите пакети от гравитационните ефекти. Основната хипотеза е, че състоянието на суперпозиция, включващо различни конфигурации на разпределението на масата, е енергийно нестабилно, което предизвиква спонтанен колапс на системата. Тук връзката с флуктуациите на времето е най-очевидна.
• Моделът на непрекъснатата спонтанна локализация (CSL): това е най-разработената алтернатива на стандартната квантова механика. Обикновено се смята, че CSL не е пряко свързан с гравитацията. Авторите на статията обаче показаха, че ако операторът на колапса е плътността на масата (което е необходимо, за да е в съответствие с експериментите), то CSL неизбежно предизвиква пертурбации на гравитационното поле. Това е важен теоретичен резултат: дори „негравитационните“ модели на колапса влияят на метриката на пространство-времето.

Резултатите от изчисленията: колко голям е шумът?

Основната цел на работата беше да се направи количествена оценка. Физиците изчислиха натрупаната грешка във времето (Δt) за часовниците, работещи без прекъсване в продължение на една година. Те използвали параметри на модели, които понастоящем се считат за приемливи (не са опровергани от други експерименти).

Резултатите са следните:

1. Моделът CSL изчислява приблизителна флуктуация на времето от 10-²⁸ секунди на годишен интервал.
2. Моделът DP прогнозира още по-ниско ниво на пертурбации, от порядъка на 10-³¹ секунди.

За да се направи обективна оценка на величината на тези стойности, е необходимо сравнение със сегашното ниво на технологиите. Най-съвременните оптични часовници днес имат относителна нестабилност от порядъка на 10-¹⁸.

Следователно разстоянието между изчисления квантов шум и чувствителността на реалните устройства е от 10 до 13 порядъка. Тази колосална разлика означава, че хипотетичните флуктуации на пространство-времето остават неразличими на фона на доминиращия технически шум – топлинното движение на атомите или хардуерните грешки на лазерните системи.

Значение за физиката и измервателната техника

Данните ни дават възможност да направим няколко ключови извода, свързани както с фундаменталната физика, така и с приложната метрология.

Зелена светлина за инженерите. Най-важният практически извод е, че физиката не забранява създаването на по-точни часовници. Не се намираме в пропаст, където природните закони обезсмислят по-нататъшния напредък. Преминаването от атомни към ядрени часовници, подобряването на стабилността на лазерите и усъвършенстването на йонните капани – всичко това има смисъл. Човечеството все още разполага с огромен резерв за технологичен растеж: чувствителността на измервателните системи може да се увеличи с девет до десет порядъка, преди резултатите да започнат да се влияят от ефекта на спонтанното намаляване на вълновата функция.

Проблемът за емпиричната проверка. За физиците теоретици резултатът звучи различно. Ако изчисленията покажат, че шумът е на ниво 10-¹⁸ или 10-¹⁹ секунда, бихме могли да използваме атомен часовник, за да проверим основите на реалността. Липсата на наблюдаван шум би означавала крах на моделите за спонтанен колапс. Ефектът обаче е твърде слаб. Това означава, че прецизната хронометрия в близко бъдеще не може нито да потвърди, нито да отхвърли хипотезата за обективен колапс. Ще бъде необходимо да се търсят следи от този процес чрез други методи – например чрез наблюдение на нагряването на макроскопични системи или нарушение на суперпозицията в интерферометрите.

Ново разбиране на връзката между CSL и гравитацията. Теоретичната ценност на статията се състои в строгото доказателство, че моделът CSL има гравитационни последици. Преди време това не беше очевиден факт. Авторите доказаха, че всяка теория, която постулира реалността на флуктуациите на плътността на масата, автоматично навлиза в територията на Общата теория на относителността.

Заключение

Работата на Бортолоти и колегите му е пример за това как съвременната физика проверява своите граници „на хартия“, преди да изразходва средства за експерименти. Изследването показва, че пространство-времето наистина може да се „разклаща“ на микроскопично ниво, но това разклащане е толкова фино, че не влияе на способността ни да се ориентираме във времето.

Живеем във Вселена, която позволява съществуването на изключително стабилни механизми. Времето, измервано от нашите инструменти, остава плавен и непрекъснат параметър, въпреки турбулентния хаос, който може да се крие в квантовата му основа. Технологичната надпревара за прецизност може да продължи: все още не са открити фундаментални забрани от страна на квантовата механика.