Физики установили фундаментальный предел точности для классических часов
Коллектив ученых из Физического факультета Королевского колледжа Лондона совершил прорывное открытие в области теоретической физики, обнаружив набор математических уравнений, который позволяет сконструировать часы из любой последовательности случайных событий. Это достижение кардинально меняет представления о сути измерения времени и устанавливает новый стандарт для разграничения классического и квантового поведения в физических и биологических системах.
Данная теоретическая основа, подробно описанная в недавней публикации, предоставляет математический рецепт преобразования внешне хаотичных стохастических процессов — от колебаний на фондовой бирже до человеческого сердцебиения — в инструменты для измерения времени с точностью, определяемой фундаментальным пределом.
Исследование, которым руководил доктор Марк Митчисон, исходит из предпосылки, одновременно философской и практической: определения времени, которое сформулировал Альберт Эйнштейн, заявив, что время — это то, что показывают часы. В отличие от предсказуемой регулярности наручных часов, часы, основанные на случайных событиях (известных как марковские процессы, где каждое событие зависит лишь от непосредственно предшествующего ему), работают по другому принципу, используя внутренние статистические закономерности нерегулярных последовательностей для оценки течения времени. Ключевой прорыв команды заключается в выводе уравнений, которые не только позволяют построить такие часы, но и устанавливают самый строгий на сегодня математический предел максимальной точности, которой могут достичь любые подобные классические часы.
Непосредственное значение этого открытия двойственно. Во-первых, оно действует как детектор «квантовости» в макроскопическом мире. Если система, которая, казалось бы, ведет себя классически марковским образом (то есть подчиняется законам традиционной статистической физики), превышает установленный уравнениями предел точности, это становится веским доказательством того, что в основе ее работы лежат квантовые эффекты. Это объясняет, с новой точки зрения, почему квантовые технологии, такие как атомные часы, использующие энергетические переходы атомов, значительно превосходят по точности любые чисто классические механизмы измерения времени. Марковские часы, таким образом, становятся линией раздела между двумя царствами физики.
Во-вторых, эта концепция предлагает мощный инструмент для наук о жизни. Доктор Митчисон иллюстрирует ее применение на примере кинезина, моторного белка, критически важного для внутриклеточного транспорта. Этот крошечный молекулярный механизм, который направленно движется вдоль клеточных микротрубочек, чередуя две «ноги», эффективно преобразует окружающую тепловую энергию — по своей природе случайную — в регулярное, ритмичное движение, аналогичное тиканью часов. Сбой этого точного процесса ассоциирован с такими заболеваниями, как боковой амиотрофический склероз (БАС). Моделируя эти белки как марковские часы, исследователи могут количественно оценить их эффективность и понять, как из теплового хаоса в биологических системах рождаются порядок и регулярность — принцип, который проявляется на самых разных масштабах, от экосистем до недр клетки.
Разработка теории возникла из фундаментального вопроса о минимальных требованиях для измерения времени. «Наша цель состояла в том, чтобы определить минимальный набор компонентов, необходимый для создания часов», — пояснил доктор Митчисон. «К примеру, могли бы вы точно измерять время, даже если бы оказались на необитаемом острове? Мы нашли уравнения, которые говорят вам, как создать "часы", считая случайные события вокруг вас, например, волны, разбивающиеся о берег, или ваше собственное сердцебиение».
Ученый добавил, что эта теоретическая модель часов представляет собой наилучший возможный механизм, который можно создать, подсчитывая марковские события в системе, управляемой классической физикой. Поэтому любое отклонение от ожидаемой картины свидетельствует о наличии более экзотических фундаментальных явлений, таких как квантовое поведение.
Помимо практических приложений, работа углубляется в онтологические вопросы современной физики. «Время лежит в основе многих неразгаданных тайн квантовой физики, — поразмышлял Митчисон. — Почему время, кажется, течёт только в одном направлении? Почему мы помним прошлое, а не будущее? Квантовано ли время на отдельные фрагменты, подобно энергии? Размышляя о том, на что способны часы, мы в конечном счете надеемся ответить на некоторые из этих вопросов о самой природе времени». Установив фундаментальный предел в классическом мире, это не только предоставляет науке новый инструмент, но и прокладывает путь к пониманию более глубоких законов, управляющих Вселенной.