Ученые из Королевского колледжа Лондона разработали уравнения, которые позволяют превратить любую последовательность случайных событий в часы. Работа опубликована в журнале Physical Review X (PRX).
Новые формулы помогут лучше понять, как клетки организма измеряют время, а также выявлять квантовые эффекты в окружающем мире. Это может иметь прикладное значение, например, при изучении белков с ритмичными движениями, сбои которых связаны с нейродегенеративными заболеваниями, или при анализе работы клеточных рецепторов, распознающих токсины.
Эйнштейн когда-то сказал, что «время — это то, что измеряют часы». Обычно оно отсчитывается регулярными событиями, но и процессы, протекающие случайно, тоже могут служить измерителем времени. Если каждое событие зависит только от предыдущего, такой процесс называют марковским. Примеры можно найти повсюду: от колебаний цен на бирже до биения сердца.
Ученые показали, что, анализируя такие «скачки», можно вычислить, сколько прошло времени, и вывели строгую математическую границу точности для подобных часов. Если же наблюдаемый процесс ведет себя иначе, чем предсказывают уравнения, это указывает на вмешательство квантовых эффектов. Именно поэтому квантовые технологии, включая атомные часы, могут работать точнее любых классических.
«Мы хотели выяснить, какие минимальные условия нужны для создания часов. Представьте, что вы оказались на необитаемом острове: можно ли измерять время, просто считая удары волн или сердцебиение? Мы нашли уравнения, которые позволяют превратить такие случайные события в максимально точные часы, возможные в рамках классической физики», — объяснил ведущий автор работы доктор Марк Митчисон.
По его словам, осмысление природных молекулярных машин как «часов» дает представление о том, как природа создает порядок из хаоса. Например, белок кинезин, «шагая» по микротрубочкам клетки, использует тепловую энергию для регулярного движения — подобно часам, которые тикают благодаря случайным колебаниям.
Ученые надеются, что разработанный математический аппарат поможет глубже понять, как работают биологические системы, и пролить свет на фундаментальные вопросы о времени: почему оно течет только в одном направлении, почему мы помним прошлое, а не будущее, и может ли время быть квантованным так же, как энергия.