Физики предложили новый способ измерить квантовую природу времени с помощью атомных часов
Группа физиков выдвинула предположение, согласно которому атомные часы могут быть использованы для измерения квантовой природы времени. Это означает, что с их помощью, возможно, удастся зафиксировать время, текущее одновременно быстрее и медленнее. Когда движение часов подчиняется принципам квантовой механики, эти движения могут существовать в суперпозиции, и точно так же в суперпозиции может находиться сама временная линия. Современные технологии в области атомных часов и квантовых компьютеров, как полагают ученые, могли бы помочь в изучении этого феномена.
Долгое время считалось постоянной и неизменной величиной, пока Эйнштейн не опубликовал свою теорию общей относительности. Согласно этой теории, время относительно, и каждые часы имеют собственный темп времени, который зависит от их скорости и положения. Например, в порядке теоретической оценки величины, часы, движущиеся со скоростью 10 метров в секунду в течение 57 миллионов лет, отстанут на одну секунду от неподвижных часов. Этот эффект наглядно демонстрирует знаменитый «парадокс близнецов»: два идентичных близнеца будут стареть по-разному, если один из них совершит кругосветное путешествие с большой скоростью в космосе, а другой останется на Земле. Данное явление уже было экспериментально подтверждено с помощью высокоточных часов, таких как атомные и ионные часы.
Как объясняет Игорь Пиковски из Технологического института Стивенса в США, не существует универсального времени, а есть лишь так называемое «собственное время»: каждый наблюдатель фиксирует свое собственное время, и они могут различаться. Однако существует и более сложная версия этого явления, получившая название «квантовый парадокс близнецов». Согласно этой гипотезе, одни часы могут находиться в таком состоянии, в котором две временные эволюции наложены друг на друга в соответствии с принципом квантовой суперпозиции. Таким образом, временной поток может существовать одновременно в двух разных состояниях, протекая и быстрее, и медленнее.
Хотя эта теория была предложена более десяти лет назад командой Пиковски, до сих пор соответствующие эффекты оставались вне экспериментальной досягаемости. В рамках нового исследования, опубликованного 20 апреля в журнале Physical Review Letters, Пиковски и его коллеги показали, что квантовое время вскоре, а возможно, это уже произошло, может быть измерено с помощью атомных часов, учитывая последние достижения в этой области. Пиковски отмечает, что время играет очень разные роли в квантовой теории и теории относительности, и их исследование демонстрирует, что сочетание этих двух концепций может раскрыть скрытые квантовые признаки временного потока, которые больше нельзя описать с помощью классической физики.
Чтобы изучить, как можно измерить квантовую природу времени, команда Пиковски исследовала взаимодействие релятивистского времени с квантовой механикой в атомных часах. Для этого в часах предлагается удерживать одиночные ионы, такие как ионы алюминия и иттербия, и охлаждать их до температуры, близкой к абсолютному нулю, что позволит манипулировать квантовыми состояниями ионов с помощью лазерных импульсов. Согласно расчетам исследователей, наблюдать квантовые характеристики времени можно, объединив достижения в области технологий атомных часов с достижениями в области квантовых компьютеров на основе захваченных ионов.
Габриэль Сорчи, аспирант Технологического института Стивенса и соавтор исследования, поясняет, что современные атомные часы настолько чувствительны, что могут обнаруживать мельчайшие различия во времени, вызванные лишь тепловыми колебаниями при чрезвычайно низких температурах. Но даже при абсолютном нуле, в основном состоянии, частота часов остается подверженной влиянию исключительно квантовых флуктуаций. Кроме того, ученые продемонстрировали, что вместо простого охлаждения атомов можно манипулировать вакуумом, используя технику так называемого «сжатия», чтобы усилить мельчайшие флуктуации внутри системы. Этот подход, в частности, позволил бы создавать сжатые состояния, в которых положение и скорость часов проявляют квантовое поведение.
По словам Кристиана Саннера из Университета штата Колорадо и Дитриха Лейбфрида из Национального института стандартов и технологий (NIST), также выступивших соавторами работы, необходимая технология для генерации требуемого сжатия уже существует, равно как и путь к достижению нужной точности часов в ионных часах, чтобы впервые наблюдать такие эффекты. Следующим шагом, следовательно, станет проведение этих экспериментов в лаборатории и подтверждение того, могут ли атомные часы действительно измерять квантовые характеристики времени.
Исследование в журнале Physical Review Letters.