Может ли время течь с несколькими скоростями одновременно? Физики нашли способ доказать этот квантовый парадокс

Две главные теории, описывающие устройство Вселенной, трактуют время совершенно по-разному. В квантовой механике, которая управляет микромиром, время является абсолютно жестким и неизменным параметром. Оно течет одинаково для всех частиц и процессов, выступая своего рода математическим фоном, на котором разворачиваются события. В Общей и Специальной теории относительности Альберта Эйнштейна время динамично. Оно тесно связано с пространством и меняет скорость своего течения: чем быстрее движется объект или чем сильнее гравитация, тем медленнее для этого объекта идет время.

Объединить эти два подхода в единую непротиворечивую концепцию пока не удалось. Обычно физики ищут пересечение этих теорий в экстремальных условиях: внутри черных дыр или в момент Большого взрыва. Но недавно группа исследователей из Института технологий Стивенса (США), Университета Ватерлоо (Канада) и Стокгольмского университета (Швеция) в опубликованной в журнале Physical Review Letters работе, математически доказала, что квантовую природу релятивистского времени можно зафиксировать уже сегодня, используя существующие оптические атомные часы.

Как работают оптические часы и усредненное время

Для начала разберемся, как работают современные оптические атомные часы. В их основе лежит одиночный ион — например, атом алюминия-27, лишенный одного электрона. Этот ион удерживается в вакууме с помощью электромагнитных полей внутри специальной ловушки. Роль маятника в таких часах выполняет переход электрона между энергетическими уровнями. Физики облучают ион лазером, и когда частота лазера точно совпадает с частотой перехода электрона, происходит поглощение света. Эта частота настолько стабильная, что позволяет отсчитывать доли секунды с очень высокой точностью.

Сегодня оптические часы стали настолько точными, что они фиксируют эффекты теории относительности прямо в лаборатории. Если ион в ловушке начинает двигаться из-за случайного теплового воздействия, его скорость возрастает. Согласно Специальной теории относительности, для движущегося объекта время замедляется. В результате внутренние процессы в ионе, включая частоту перехода электрона, идут медленнее относительно неподвижного наблюдателя. Этот эффект называется релятивистским сдвигом частоты.

Но до публикации этой работы все подобные измерения имели одну важную неточность. Физики использовали атом как сверхточный квантовый прибор, но само движение атома в пространстве они описывали исключительно классическими законами. Они измеряли температуру в ловушке, вычисляли среднюю скорость движения иона и на основе этой единственной цифры рассчитывали единое, усредненное замедление времени.

Квантовая суперпозиция скоростей

Проблема классического подхода заключается в том, что он игнорирует базовые законы квантовой механики. На квантовом уровне частица не движется по строгой траектории с одной четко определенной скоростью. До момента измерения состояние частицы описывается волновой функцией, которая содержит сразу множество возможных положений и импульсов. Ион находится в состоянии квантовой суперпозиции — он существует с множеством разных скоростей одновременно.

Авторы нового исследования задались вопросом: если скорость частицы находится в квантовой суперпозиции, что происходит с ее временем? Уравнения, выведенные физиками, показывают: время также переходит в состояние квантовой суперпозиции. Частица перестает испытывать одно усредненное замедление времени. Вместо этого релятивистское время расслаивается, и атом начинает существовать в нескольких временных потоках одновременно.

Чтобы зафиксировать этот феномен экспериментально, исследователи предложили два конкретных эффекта, которые можно наблюдать на существующем оборудовании.

Вакуумный сдвиг времени

Первый эффект возникает в условиях абсолютного температурного нуля. Чтобы избавиться от классического теплового движения атомов, физики охлаждают ловушку и переводят ион в самое низкое энергетическое состояние.

В классической физике при абсолютном нуле движение полностью прекращается. Если нет движения, релятивистское замедление времени должно равняться нулю. Однако в дело вступает принцип неопределенности Гейзенберга. Согласно этому принципу, физический объект не может иметь абсолютно точную координату и строго нулевой импульс. Даже в состоянии максимального покоя ион продолжает совершать минимальные колебания, которые физики называют флуктуациями квантового вакуума.

Поскольку эти микроскопические колебания существуют, ион обладает скоростью. Следовательно, даже при абсолютном нуле его время должно замедляться. Авторы работы описали этот процесс и назвали его vSODS (vacuum-induced second-order Doppler shift) — вакуумный квадратичный эффект Доплера. Это замедление времени вызвано не внешним воздействием, а самой квантовой природой вакуума. Согласно расчетам, для стандартной ловушки этот сдвиг частоты составит величину порядка 5x10^(−19). Технологические возможности лучших современных лабораторий уже позволяют уловить столь микроскопическое отклонение.

Сжатые состояния и потеря контрастности

Вакуумный сдвиг важен, но его регистрация может быть оспорена: скептики могут посчитать его простой технической погрешностью. Поэтому авторы разработали второй, гораздо более масштабный сценарий эксперимента, который не оставит сомнений в квантовой природе времени. Этот метод опирается на использование так называемых «сжатых состояний».

Сжатое состояние — это специфический квантовый режим, в котором физики целенаправленно нарушают баланс неопределенностей. Они могут искусственно сделать положение иона в ловушке предельно точным. Но по законам квантовой механики за это придется заплатить: неопределенность импульса (и скорости) частицы резко возрастет.

Переведя ион в сжатое состояние, экспериментаторы создают ситуацию, при которой частица обладает огромным диапазоном возможных скоростей одновременно. Возникает эффект, который исследователи назвали sqSODS (вызванный сжатием SODS). Происходит следующее:

1. Каждой вероятной скорости иона соответствует свое собственное релятивистское замедление времени.
2. Пространственное движение иона напрямую связывается с его внутренним энергетическим состоянием. В физике этот процесс называется квантовой запутанностью.
3. Поскольку электроны в ионе переходят с уровня на уровень в разных временных потоках одновременно, фаза часов начинает рассинхронизироваться.

Когда физики попытаются считать показания таких часов с помощью лазера, они увидят физическое проявление этой рассинхронизации. Контрастность сигнала, или интерферометрическая видимость, резко упадет. Это падение нельзя списать на технический шум оборудования. Математическая модель точно предсказывает масштаб этого падения. Для иона алюминия-27 при определенных параметрах ловушки видимость сигнала снизится до 93%. Если в будущем использовать более легкие элементы, которые сильнее подвержены квантовым колебаниям (например, ион бора-10), интерферометрическая видимость упадет до 76%.

Такое снижение контрастности станет неопровержимым доказательством: внутреннее время атома не является классической постоянной. Оно запуталось с его неопределенным пространственным положением.

Значение открытия

Работа международного коллектива физиков предлагает реальный путь к проверке квантово-релятивистских эффектов. Долгие годы наука была вынуждена разделять квантовую механику и теорию относительности, применяя их к разным масштабам: одну для атомов, другую для планет и галактик.

Предложенный протокол эксперимента доказывает, что эти две физические реальности пересекаются внутри одной электромагнитной ловушки. Собственное время материального объекта перестает быть внешним фактором и становится такой же квантовой величиной, как спин или заряд. Зафиксировав влияние квантового вакуума и сжатых состояний на релятивистское время атома, наука сделает первый практический шаг к формулированию теории квантовой гравитации на основе экспериментальных данных, полученных в земных условиях.

Источник:PHYSICAL REVIEW LETTERS