Время не течет плавно? Физики выяснили, влияет ли квантовая неопределенность на его ход

Современная физика одержима точностью. Измерение времени — это область, где человечество достигло наивысших технологических результатов. Погрешность лучших атомных часов на оптических решетках (использующих атомы стронция или иттербия) сегодня составляет порядка 10⁻¹⁸. При такой стабильности накопленная ошибка за все 13,8 миллиарда лет существования космоса не превысила бы одной секунды.

Однако инженеры и ученые не останавливаются на достигнутом. В планах — создание ядерных часов, которые обещают еще более высокую стабильность. Но здесь появляется вопрос: позволяет ли сама структура Вселенной измерять время бесконечно точно? Или существует физический барьер, неустранимый шум, заложенный в ткани реальности, который превратит любое измерение в хаос?

В новом исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Research, группа европейских физиков теоретически проверила этот предел. Они проанализировали, как альтернативные интерпретации квантовой механики влияют на стабильность течения времени. Их работа связывает микроскопическое поведение материи с глобальной структурой пространства-времени и дает ответ на вопрос: не упремся ли мы в стену при создании часов будущего.

Наблюдатель против реальности

Сначала обратимся к основам квантовой механики. В ее стандартной формулировке существует проблема измерения. Пока частица не измерена, она находится в суперпозиции — во всех возможных состояниях одновременно. Процесс измерения заставляет эту суперпозицию мгновенно «схлопнуться» в одно конкретное состояние.

Проблема в том, что стандартная теория не объясняет, как и почему происходит этот коллапс. Она требует наличия внешнего наблюдателя или прибора. Это устраивает не всех физиков, так как порождает парадоксы: существовала ли Вселенная до появления наблюдателей?

В качестве решения были предложены Модели спонтанного коллапса. Эти теории утверждают: коллапс происходит сам по себе, без участия наблюдателя. Это случайный, стохастический процесс. Для отдельного электрона вероятность спонтанного коллапса ничтожна (раз в сотни миллионов лет), но для макроскопических объектов, состоящих из миллиардов атомов, коллапс происходит мгновенно и постоянно. Именно поэтому столы и стулья всегда находятся в определенном месте, а не размазаны в пространстве.

Но за эту объективность приходится платить. Если материя постоянно подвергается случайным локализациям, значит, распределение массы в пространстве непрерывно флуктуирует. Масса дрожит.

Логическая цепь: от массы к времени

Авторы исследования — Никола Бортолотти, Каталина Курчану, Лайош Диоши и их коллеги — построили мост между этими квантовыми моделями и Общей теорией относительности Эйнштейна. Логика их анализа такая:

1. Нестабильность материи: в рамках теорий спонтанного коллапса (CSL и Диоши-Пенроуза) плотность вещества не является застывшей величиной. Стохастическое поле, провоцирующее коллапс волновой функции, вызывает непрерывные микроскопические вариации в плотности массы.
2. Гравитационный отклик: поскольку материя служит источником гравитации, любое изменение ее распределения влияет на структуру поля. Как только плотность массы начинает колебаться, ньютоновский гравитационный потенциал в этой точке также теряет стабильность.
3. Связь со временем: согласно Общей теории относительности, гравитационный потенциал диктует скорость течения времени (эффект гравитационного замедления). Следовательно, если потенциал подвержен квантовым флуктуациям, то и ход времени в этой области перестает быть равномерным, приобретая стохастическую составляющую.

Это приводит к выводу: в мире, где работают модели спонтанного коллапса, идеальных часов существовать не может. Само пространство-время генерирует шум. Любой хронометр будет фиксировать эти искажения, принимая их за собственную погрешность.

Анализ двух моделей

Исследователи изучили две главенствующие теоретические конструкции:

• Модель Диоши-Пенроуза (DP): данная концепция постулирует прямую зависимость редукции волнового пакета от гравитационных эффектов. Ключевая гипотеза состоит в том, что состояние суперпозиции, включающее различные конфигурации распределения масс, является энергетически нестабильным, что и провоцирует спонтанный коллапс системы. Здесь связь с флуктуациями времени наиболее очевидна.
• Модель непрерывной спонтанной локализации (CSL): это наиболее проработанная альтернатива стандартной квантовой механике. Обычно считается, что CSL не имеет прямого отношения к гравитации. Однако авторы работы показали, что если оператором коллапса выступает плотность массы (что необходимо для соответствия экспериментам), то CSL неизбежно индуцирует возмущения гравитационного поля. Это важный теоретический результат: даже «негравитационные» модели коллапса влияют на метрику пространства-времени.

Результаты расчетов: насколько велик шум?

Главная цель работы заключалась в количественной оценке. Физики рассчитали накопленную ошибку времени (Δt) для часов, работающих непрерывно в течение одного года. Они использовали параметры моделей, которые на сегодняшний день считаются допустимыми (не опровергнуты другими экспериментами).

Результаты оказались следующими:

1. В рамках модели CSL расчетная флуктуация времени на годовом интервале оценивается в 10⁻²⁸ секунды.
2. Модель DP предсказывает еще более низкий уровень возмущений — порядка 10⁻³¹ секунды.

Для объективной оценки масштаба этих величин необходимо сопоставление с актуальным уровнем технологий. Наиболее совершенные оптические часы сегодня обладают относительной нестабильностью порядка 10⁻¹⁸.

Следовательно, дистанция между расчетным квантовым шумом и чувствительностью реальных приборов составляет от 10 до 13 порядков. Столь колоссальный разрыв означает, что гипотетические флуктуации пространства-времени остаются неразличимыми на фоне доминирующих технических помех — теплового движения атомов или аппаратных погрешностей лазерных систем.

Важность для физики и приборостроения

Полученные данные позволяют сделать несколько ключевых выводов, касающихся как фундаментальной физики, так и прикладной метрологии.

1. Зеленый свет для инженеров. Самый важный практический вывод: физика не запрещает создание более точных часов. Мы не находимся на краю пропасти, где законы природы делают дальнейший прогресс бессмысленным. Переход от атомных часов к ядерным, повышение стабильности лазеров и улучшение ловушек для ионов — все это имеет смысл. У человечества остается колоссальный запас для технологического роста: чувствительность измерительных систем может быть увеличена на девять-десять порядков, прежде чем на результаты начнет влиять эффект спонтанной редукции волновой функции.

2. Проблема эмпирической верификации. Для физиков-теоретиков результат звучит иначе. Если бы расчеты показали, что шум находится на уровне 10⁻¹⁸ или 10⁻¹⁹ секунд, мы могли бы использовать атомные часы для проверки фундаментальных основ реальности. Отсутствие наблюдаемого шума означало бы крах моделей спонтанного коллапса. Однако эффект оказался слишком слабым. Это значит, что прецизионная хронометрия в ближайшем будущем не сможет ни подтвердить, ни опровергнуть гипотезу объективного коллапса. Искать следы этого процесса придется другими методами — например, наблюдая за нагревом макроскопических систем или нарушением суперпозиции в интерферометрах.

3. Новое понимание связи CSL и гравитации. Теоретическая ценность работы заключается в строгом доказательстве того, что модель CSL имеет гравитационные последствия. Ранее это не было очевидным фактом. Авторы продемонстрировали, что любая теория, постулирующая реальность флуктуаций плотности массы, автоматически вторгается на территорию Общей теории относительности.

Заключение

Работа Бортолотти и его коллег — это пример того, как современная физика проверяет свои границы «на бумаге», прежде чем тратить ресурсы на эксперименты. Исследование показало, что пространство-время, возможно, действительно «дрожит» на микроскопическом уровне, но это дрожание настолько тонкое, что оно не влияет на нашу способность ориентироваться во времени.

Мы живем во Вселенной, которая допускает существование чрезвычайно стабильных механизмов. Время, измеряемое нашими приборами, остается гладким и непрерывным параметром, несмотря на бурлящий хаос, который может скрываться в его квантовом основании. Технологическая гонка за точностью может продолжаться: фундаментальных запретов со стороны квантовой механики пока не обнаружено.

Источник:Physical Review Research