Скрытая угроза квантового тиканья: время не однородно — учёные обнаружили предел точности наших часов

Теоретическая физика сделала новый шаг в исследовании природы времени. Согласно последним данным, опубликованным в журнале Physical Review Research, на самом глубоком уровне времени могут происходить мельчайшие флуктуации, которые невозможно зафиксировать современными часами.

Теории и парадоксы квантового мира

Квантовая механика, изучающая мир частиц, давно привлекала внимание ученых благодаря своему парадоксу: частицы могут находиться одновременно в нескольких состояниях или местах, что выражается через волновую функцию. Это явление противоречит классической реальности, в которой объекты всегда имеют четко определенные свойства.

Для разрешения этого парадокса была предложена идея коллапса волновой функции. Когда происходит измерение, система выбирает одно из возможных состояний. Однако международная группа исследователей, поддержанная Институтом фундаментальных вопросов (FQxI), изучила возможные последствия этого постулата для самой природы времени. Исследователи приняли во внимание альтернативные теории, которые изменяют постулат коллапса, и предложили новые способы экспериментально различить эти подходы.

"Мы всерьез рассмотрели идею о том, что модели коллапса могут быть связаны с гравитацией. А затем задали очень конкретный вопрос: что это означает для самого времени?" — говорит Никола Бортолотти, аспирант Музея и исследовательского центра Энрико Ферми в Риме.

В исследовательскую группу также входили эксперты из Италии, Венгрии и других стран, работающие в области физики и квантовых технологий.

Модели спонтанного коллапса и их влияние на время

Модели спонтанного коллапса волновой функции, предложенные в 1980-х годах, дают новое представление о том, как может происходить коллапс. В отличие от чисто философских интерпретаций, эти модели включают математические модификации уравнений квантовой механики, что позволяет им быть проверенными с помощью высокоточных экспериментов. Одним из таких подходов является модель Диоши-Пенроуза, которая связывает коллапс с гравитацией. Другой важной моделью является непрерывная спонтанная локализация (CSL), которая предполагает, что коллапс происходит случайным образом, независимо от наблюдателя.

Самым значительным в этом исследовании стало установление связи между этими моделями и флуктуациями пространства-времени. Если эти теории верны, то время не может быть гладким и постоянным, как мы привыкли его воспринимать. Вместо этого оно будет испытывать микроскопические колебания, своего рода "тиканье" на фундаментальном уровне. Это означает, что существуют теоретические пределы точности, с которыми можно измерять время, и они намного ниже возможностей современных приборов.

"Наши результаты ясно показывают, что современные технологии измерения времени вообще не подвержены влиянию", — подтверждает Кристиан Пишиччиа из CREF и INFN-LNF.

Однако важно отметить, что масштабы этих флуктуаций настолько малы, что они не могут быть обнаружены с помощью существующих технологий и не влияют на повседневную жизнь.

Влияние исследования на объединение квантовой механики и теории относительности

Это исследование не только затрагивает измерение времени, но и проливает свет на одну из важнейших проблем современной физики — объединение квантовой механики с общей теорией относительности. В квантовой механике время считается внешним параметром, который остается неизменным и фоновым. В то же время, теория относительности Эйнштейна рассматривает время как гибкое измерение, которое изменяется в присутствии массы и энергии. Поиск квантовой теории гравитации, которая бы объединяла эти два подхода, продолжается уже почти столетие.

Исследование, проведенное командой под руководством Бортолотти, предполагает, что модели спонтанного коллапса могут стать частью моста, соединяющего квантовую механику и теорию относительности. Они показывают, что модификации квантовой механики, предложенные этими моделями, могут вызвать флуктуации времени, что, в свою очередь, открывает новые пути для дальнейших исследований в области гравитации и времени. Такие исследования дополняют открытия, связанные с влиянием солнечных бурь на орбиту Земли, где также рассматриваются взаимодействия космических процессов и фундаментальных физических законов.

"Время и пространство податливы, изменяются и искривляются под влиянием объектов, обладающих массой", — поясняет Каталина Курчану, член FQxI и директор по исследованиям в Национальных лабораториях Фраскати.

Прочные основы науки и технологии

Результаты исследования команды FQxI показывают, что даже самые радикальные гипотезы квантовой механики могут быть проверены с помощью точных измерений, что открывает новые горизонты для науки. В то же время, это исследование подтверждает стабильность и надежность существующих научных теорий и технологий, включая методы измерения времени. Стабильность законов физики напоминает о том, как в солнечном спектре были зафиксированы сотни необъяснённых линий, что также показывает, насколько сложен и неизучен наш мир даже при высокоточных наблюдениях.

Каталина Курчану подчеркивает, что поддержка таких исследовательских направлений со стороны FQxI имеет решающее значение для развития фундаментальной физики, выходящей за рамки традиционных представлений.

"Наша работа демонстрирует, что даже самые радикальные идеи о квантовой механике могут быть проверены с помощью точных физических измерений, и, что важно, измерение времени остается одним из самых стабильных столпов современной физики", — заключает Курчану.

Таким образом, исследование открывает не только новые возможности для изучения основ времени, но и подтверждает прочность фундамента современной науки, на котором строится современная техника и технологии.