Нестандартные квантовые теории могут подразумевать, что само время обладает крошечной фундаментальной неопределенностью, устанавливая предельное ограничение на точность его измерения любыми часами. Этот эффект находится далеко за пределами возможностей современного обнаружения, но он может выявить скрытую связь между квантовой механикой, гравитацией и пространством-временем.
Квантовая механика всегда бросала вызов нашему повседневному пониманию реальности. В квантовом мире частицы могут существовать в суперпозиции состояний, то есть они могут занимать несколько возможных положений или конфигураций одновременно. Физики описывают эти возможности математически с помощью волновой функции.
Эта картина сильно отличается от обычной жизни, где объект, кажется, находится в одном месте и в одном состоянии одновременно. Чтобы преодолеть этот разрыв, стандартная квантовая механика утверждает, что при измерении или наблюдении квантовой системы её волновая функция схлопывается в одно определённое значение.
Теперь, при поддержке Института фундаментальных вопросов (FQxI), международная группа физиков исследовала более радикальную возможность. Их работа предполагает, что определенные альтернативы стандартной квантовой механике, известные как модели квантового коллапса, могут иметь неожиданные последствия для самой природы времени и для предельной точности часов.
Результаты исследования, опубликованные в журнале Physical Review Research , также указывают на возможный новый способ проверки этих нетрадиционных теорий в сравнении со стандартной квантовой механикой.
«Мы серьезно отнеслись к идее о том, что модели коллапса могут быть связаны с гравитацией, - говорит Никола Бортолотти, аспирант Музея и исследовательского центра Энрико Ферми (CREF) в Риме, Италия, возглавлявший исследование. - А затем мы задали очень конкретный вопрос: что это означает для самого времени?»
Когда квантовые состояния коллапсируют сами по себе
Начиная с 1980-х годов, физики разработали модели, в которых коллапс волновой функции не требует измерительного прибора или наблюдателя. Вместо этого коллапс может происходить спонтанно.
Это отличает эти идеи от многих интерпретаций квантовой механики. Интерпретации, как правило, предлагают различные концептуальные объяснения того, что означает квантовая теория, при этом обычно приводя к тем же экспериментальным предсказаниям, что и стандартная квантовая механика. Модели квантового коллапса идут дальше, поскольку они предсказывают физические эффекты, которые, по крайней мере в принципе, можно измерить.
Бортолотти и его коллеги исследовали две различные модели коллапса. В состав группы входили Каталина Курчану, член FQxI и директор по исследованиям в Национальных лабораториях Фраскати Национального института ядерной физики (INFN-LNF) в Фраскати, Италия, Кристиан Пишиччиа из CREF и INFN-LNF, Лайош Диоши из Научно-исследовательского центра физики им. Вигнера и Университета Этвеша Лоранда в Будапеште, Венгрия, и Симоне Манти из INFN-LNF.
Одной из моделей была модель Диоши-Пенроуза (названная в честь членов FQxI Лайоша Диоши и сэра Роджера Пенроуза). В ней давно предполагалось, что гравитация может играть роль в принудительном коллапсе квантовых систем в определенные состояния.
Исследователи также изучили второй подход, называемый непрерывной спонтанной локализацией. Впервые они установили количественную связь между этой моделью и гравитационными флуктуациями в пространстве-времени.
Время может содержать в себе небольшую заложенную неопределенность.
Расчеты привели к поразительному выводу. Если эти модели коллапса верны, то само время должно содержать очень мало внутренней неопределенности.
Иными словами, может существовать фундаментальный предел точности измерения времени. Это не означает, что часы внезапно становятся ненадежными. Предсказанный эффект чрезвычайно мал.
«Как только вы произведете расчеты, ответ станет ясен и на удивление обнадеживающ», - сказал Бортолотти.
Даже самые совершенные атомные часы, работающие сегодня или ожидаемые в обозримом будущем, не будут достаточно точными, чтобы заметить этот эффект.
«Неопределенность на много порядков ниже всего, что мы можем измерить в настоящее время, поэтому она не имеет практических последствий для повседневного измерения времени», - говорит Курчану. «Наши результаты ясно показывают, что современные технологии измерения времени совершенно не затронуты», - добавляет Пишиччиа.
Возможная подсказка к квантовой гравитации
Данная работа затрагивает одну из самых больших нерешенных проблем современной физики: как согласовать квантовую механику с гравитацией.
Квантовая механика добилась огромных успехов в описании атомов, частиц и других микроскопических систем. Общая теория относительности Эйнштейна, в свою очередь, описывает гравитацию и поведение пространства и времени в гораздо больших масштабах, включая планеты, звезды, галактики и даже саму Вселенную.
Обе теории очень хорошо согласуются с экспериментами в тех областях, где они применяются. Проблема в том, что они рассматривают время принципиально по-разному.
«В стандартной квантовой механике время рассматривается как внешний, классический параметр, на который не влияет изучаемая квантовая система», - объясняет Курчану.
Общая теория относительности придерживается совершенно иной точки зрения. Пространство и время являются частью гибкой структуры, называемой пространством-временем, которая может изгибаться и изменяться в ответ на воздействие массы и энергии.
Из-за этого несоответствия физики десятилетиями искали более глубокую теорию, которая могла бы объединить квантовую механику и гравитацию. Новые результаты предполагают, что модели коллапса могут содержать подсказки о том, как квантовая физика, гравитация и время в конечном итоге могут объединиться.
Они также обладают более практическим преимуществом. Поскольку модели коллапса предсказывают измеримые эффекты, отличающиеся от стандартной квантовой механики, чрезвычайно точные эксперименты в конечном итоге могут помочь определить, описывают ли эти идеи что-то реальное в природе.
